Машинист крана-манипулятора 6-го разряда

Диаграмма состояния железо-углеродистых сплавов

Среди диаграмм состояния металлических сплавов самое большое значение имеет диаграмма состояния системы Fe – С. Это объясняется тем, что в технике наиболее широко применяют железоуглеродистые сплавы. Имеются две диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: метастабильная, характеризующая превращения в системе (цементит), и стабильная, характеризующая превращения в системе Fe − С (рис. 59).

На то, что система Fe − С является более стабильной, чем система указывает тот факт, что при нагреве до высоких температур цементит распадается на железо и графит, т. е. переходит в более стабильное состояние.

Компоненты и фазы в сплавах железа с углеродом 

Железо и углерод – элементы полиморфные. Железо с температурой плавления 1539°С имеет две модификации – α и γ. Модификация α существует от комнатной температуры до 911°С и имеет ОЦК решетку с периодом 0,286 нм. Важной особенностью является его ферромагнетизм ниже температуры 768°С, называемой точкой Кюри, которую обозначают как . Выше точки Кюри железо становится парамагнитным. При температуре 911°С переходит в с ГЦК решеткой. Эта модификация существует в температурном интервале 911 − 1392°C. ГЦК решетка более компактная, чем ОЦК. В
связи с этим при объем железа уменьшается приблизительно на 1 %. При температуре 1392°C переходит в снова с решеткой ОЦК. Обычно температуру полиморфного превращения обозначают как критическую точку , температуру превращения при 1392°С как точку .

Углерод существует в двух модификациях: графита и алмаза. При нормальных условиях стабилен графит, алмаз представляет собой его метастабильную модификацию. При высоких давлениях и температурах стабильным становится алмаз (это используют при получении синтетических алмазов). Фазы в сплавах железа с углеродом представляют собой жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит и свободный углерод в виде графита.

Феррит (обозначают Ф или α) − твердый раствор внедрения углерода в . Различают низкотемпературный и высокотемпературный феррит. Предельная концентрация углерода в низкотемпературном феррите составляет лишь 0,02 %, в высокотемпературном − 0,1 %. Столь низкая растворимость углерода в обусловлена малым размером межатомных пор в ОЦК решетке. Значительная доля атомов углерода вынуждена размещаться в дефектах (вакансиях, дислокациях). Феррит − мягкая, пластичная фаза со следующими механическими свойствами:

Аустенит (обозначают А или γ) − твердый раствор внедрения углерода в , Он имеет ГЦК решетку, межатомные поры в которой больше, чем в ОЦК решетке, поэтому растворимость углерода в значительно больше и достигает 2,14 %. Аустенит пластичен, но прочнее феррита (160 – 200 НВ) при 20 – 25°С.

Цементит (обозначают Ц или )− карбид железа (почти постоянного состава) , содержит 6,67 % С и имеет сложную ромбическую решетку. При нормальных условиях цементит тверд (800 НВ) и хрупок. Он слабо ферромагнитен и теряет ферромагнетизм при 210°С. Температуру плавления цементита трудно определить в связи с его распадом при нагреве. При нагреве лазерным лучом она установлена равной 1260°С. Графит – углерод, выделяющийся в железоуглеродистых сплавах в свободном состоянии. Имеет гексагональную кристаллическую решетку. Графит электропроводен, химически стоек, малопрочен, мягок.

ПРЕВРАЩЕНИЯ В СПЛАВАХ СИСТЕМЫ ЖЕЛЕЗО – ЦЕМЕНТИТ

Фазовый состав

Диаграмма состояния (см. рис. 59) характеризует фазовый состав и превращения в системе . Особенность диаграммы − наличие на оси составов двух шкал, показывающих содержание углерода и цементита. Координаты характерных точек диаграммы следующие: точка А (1539°С) определяет температуру плавления (1392°С) и G (911°С) соответствуют температурам полиморфных превращений железа. Точки H (0,1 % С) и P (0,02 % С) характеризуют предельную концентрацию углерода соответственно в высокотемпературном и низкотемпературном феррите. Точка Е (2,14 % С) определяет наибольшую концентрацию углерода в аустените. Значения остальных точек будут ясны после проведенного анализа диаграммы.

Превращения в сплавах системы происходят как при затвердевании жидкой фазы, так и в твердом состоянии. Первичная кристаллизация идет в интервале температур, определяемых на линиях ликвидус (ABCD) и солидус (AHJECFD). Вторичная кристаллизация вызвана превращением железа одной модификации в другую и переменной растворимостью углерода в аустените и феррите; при понижении температуры эта растворимость уменьшается. Избыток углерода из твердых растворов выделяется в виде цементита. Линии ES и PQ характеризуют изменение концентрации углерода в аустените и
феррите соответственно. Цементит имеет почти неизменный состав (вертикальная линия DFKQ). Выделяющийся из расплава цементит
называют первичным, из аустенита – вторичным, из феррита – третичным. Соответственно на диаграмме состояния CD – линия выделения первичного цементита, ES – линия выделения вторичного цементита (принято критические точки, соответствующие линии ES, обозначать ); PQ – линия выделения третичного цементита. В системе происходят три изотермических превращения:

перитектическое превращение на линии HJB (1499°С):

эвтектическое превращение на линии ECF (1147°С):

эвтектоидное превращение на линии PSK (727°С): 

Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом, эвтектоидная смесь феррита и цементита − перлитом. Эвтектоид − перлит (0,8 % С) и эвтектику – ледебурит (4,3 % С) рассматривают как самостоятельные структурные составляющие, оказывающие заметное влияние на свойства сплавов. Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей: .; твердость 180…220 НВ. При охлаждении ледебурита до температур ниже линии РSK входящий в него аустенит превращается в перлит, и при 20 − 25°С ледебурит представляет собой смесь цементита и перлита (превращенный ледебурит). В этой структурной составляющей цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии
перлита. Такое строение ледебурита служит причиной его большой твердости (> 600 НВ) и хрупкости. Присутствие ледебурита в структуре сплавов обусловливает их неспособность к обработке давлением, затрудняет обработку резанием.

Железоуглеродистые сплавы подразделяют на две группы: стали, содержащие от 0,02 до 2,14 % С и чугуны, содержащие выше 2,14 % С. Различают доэвтектоидные стали, расположенные по составу левее точки S диаграммы, т. е. между точками Р и S, и заэвтектоидные стали, находящиеся правее точки S, т. е. между точками S и Е диаграммы. Сплав железо − углерод, отвечающей точке S , называется эвтектоидной сталью. Чугун может быть доэвтектическим, расположенным по составу между точками Е и С диаграммы, и заэвтектическим, лежащим по составу между точками С и F диаграммы. Отметим, что на практике содержание углерода в заэвтектических чугунах обычно не превышает 5 %. Чугун, состав которого отвечает составу точки С, называется эвтектическим. Структура чугунов может формироваться как по метастабильной, так и по стабильной диаграмме железо − углерод, Чугуны, структура которых образуется по метастабильной диаграмме . называют белыми чугунами, а чугуны, кристаллизующиеся по стабильному варианту диаграммы , – серыми чугунами. Эти названия чугуны получили по виду излома. Излом белых чугунов блестящий, кристаллический, а у серых чугунов − матовый, что обусловлено наличием в их структуре графита.

Классификация сталей

Стали классифицируют по химическому составу, качеству, степени раскисления, структуре, прочности и назначению. По химическому составу стали классифицируют на углеродистые и легированные. В зависимости от концентрации углерода и те и другие подразделяются на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,25 − 0,5 % С) и высокоуглеродистые (> 0,7 % С). Легированные стали в зависимости от введенных элементов подразделяют на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые и многие другие. По количеству введенных элементов их разделяют на низко-, средне- и высоколегированные. В низколегированных сталях количество легирующих элементов не превышает 2,5 %, в среднелегированных содержится от 2,5 до 10 %, в высоколегированных − более 10 %. По качеству стали классифицируют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные.
Под качеством стали понимают совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность
химического состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей − серы и фосфора. Газы являются скрытыми, количественно трудно определяемыми примесями, поэтому нормы содержания вредных примесей служат основными показателями для разделения сталей по качеству. Стали обыкновенного качества содержат до 0,050 % S и 0,040 % P, качественные − не более 0,04 % S и 0,035 % P (в случае инструментальных до 0,03%), высококачественные − не более 0,025 % S и 0,025 % P, особо высококачественные − не более 0,015 % S и 0,025 % P.

По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие. Раскисление − процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации. Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только марганцем. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании, частично взаимодействуя с углеродом, удаляется в виде СО. Выделение пузырей СО создает впечатление кипящей стали, с чем и связано ее название. Кипящие стали дешевы, их производят низкоуглеродистыми и практически без кремния (Si ≤ 0,07 %), но с повышенным количеством газообразных примесей.

Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими. При классификации стали по структуре учитывают особенности ее строения в отожженном и нормализованном состояниях. По структуре в отожженном (равновесном) состоянии стали разделяют на следующие классы: доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит; эвтектоидные, структура которых состоит из перлита; заэвтектоидные, имеющие в структуре перлит и цементит вторичный; ледебуритные, аустенитные и ферритные.

По структуре после нормализации стали подразделяют на следующие основные классы: перлитный, мартенситный, аустенитный, ферритный.
Стали перлитного класса (см. рис. 75, а) имеют невысокую устойчивость переохлажденного аустенита (описание см. дальше). К этому классу относятся углеродистые и низколегированные стали. Это большая группа дешевых, широко применяемых сталей. Стали мартенситного класса отличаются высокой устойчивостью переохлажденного аустенита (рис. 75, б); при охлаждении на воздухе они закаливаются на мартенсит. К этому классу относятся
средне- или высоколегированные стали. Стали аустенитного класса из-за повышенного количества никеля или марганца (обычно в сочетании с хромом) имеют интервал мартенситного превращения ниже 0°С (см. раздел «Теория термической обработки»). По назначению стали подразделяются на конструкционные, инструментальные и стали специального назначения. Конструкционные по назначению подразделяются на машиностроительные, предназначенные для изготовления деталей машин и механизмов (цементуемые и улучшаемые), и строительные, используемые для металлоконструкций и сооружений.

Инструментальные стали по назначению подразделяются на стали (материалы) для режущего инструмента, для штампового инструмента (холодной и горячей штамповки) и измерительного инструмента. По теплостойкости применяемые материалы в свою очередь делятся на группы: нетеплостойкие (углеродистые стали), полутеплостойкие низколегированные стали (до 200°C), теплостойкие высоколегированные быстрорежущие стали (до 600 – 640°С), твердые
сплавы (до 800 − 1000°C) и сверхтвердые материалы (до 1200°C). Стали со специальными физико-химическими свойствами по назначению могут быть коррозионно-стойкими, жаростойкими, жаропрочными, износостойкими, электротехническими и т. д., в которых получение тех или иных свойств достигается соответствующим легированием.

Углеродистые стали

На долю углеродистых сталей приходится 80 % от общего объема. Это объясняется тем, что углеродистые стали дешевы и сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением. При одинаковом содержании углерода по обрабатываемости резанием и давлением они значительно превосходят легированные стали. Из-за высокой критической скорости закалки углеродистые стали охлаждают в воде, что вызывает значительные деформации и коробление деталей. Кроме того, для получения одинаковой прочности с легированными сталями их следует подвергать отпуску при более низкой температуре, поэтому они сохраняют более высокие закалочные напряжения, снижающие конструктивную прочность. Главный недостаток углеродистых сталей − небольшая прокаливаемость (до 12 мм), что существенно ограничивает размер деталей, упрочняемых термической обработкой.

Углеродистые стали обыкновенного качества

В углеродистых сталях обыкновенного качества допускается повышенное содержание вредных примесей и загрязненность неметаллическими включениями, так как их выплавляют по нормам массовой технологии. Стали обыкновенного качества поставляют горячекатаными в виде проката (прутки, листы, уголки, трубы и т. п.) Для этих сталей марки, химический состав и степень раскисления при выплавке регламентирует ГОСТ 380-94.(можно кликнуть).

Стали маркируют сочетанием букв «Ст» и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки. Степень раскисления обозначают добавлением в спокойных сталях букв «сп», в полуспокойных − «пс», в кипящих − «кп». Например, Ст3сп, Ст3пс, Ст3кп. Спокойными и полуспокойными производят стали Ст1 − Ст6, кипящими − Ст1 − Ст4. Сталь Ст0 по степени раскисления не разделяют, в этой стали указывают только содержание углерода (С ≤ 0,23 %), серы (S ≤ 0,06 %) и
фосфора (Р ≤ 0,07 %). В остальных марках регламентировано содержание С, Мn, Si, S, Р, а также АS (табл. 1).

Для всех сталей, кроме Ст 0, справедлива следующая формула:
С (%) ~ 0,07 номер марки.

Так, в стали Ст3 содержание С ~ 0,07·3 ~ 0,21 % (фактически 0,14 − 0,22 %).

Концентрация марганца возрастает от 0,25 − 0,50 % в стали Ст1 до 0,50 − 0,80 % в стали Ст6. Три марки стали производят с повышенным (0,80 − 1,1 %) содержанием марганца, на что указывает буква «Г» в марке: Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст5Гпс.

Содержание кремния зависит от способа раскисления стали: у кипящих − не более 0,05 %, полуспокойных − не более 0,15 %, спокойных − не более 0,30 %.
Степень раскисления определяет также различное содержание газообразных примесей, а следовательно, порог хладноломкости и возможную температуру эксплуатации. Более надежны спокойные стали, имеющие более низкий порог хладноломкости t50. Так, для сталей Ст3сп, Ст3пс и Ст3кп он составляет −20; −10 и 0°C. Механические свойства горячекатаных сталей обыкновенного качества регламентирует ГОСТ 535-88 (табл. 2).

Прокат подразделяется на три группы (I – III) и пять категорий (1 − 5). Группа проката оценивает качество поверхности и способ использования проката. Прокат I группы используют без обработки поверхности, II группы − для изготовления деталей обработкой резанием, III группы для заготовок и деталей, получаемых горячей обработкой давлением.

Категории проката различаются набором нормируемых показателей механических свойств. Для всех категорий гарантируют уровень и допустимый угол загиба. Для категории 3 дополнительно определяют KCU при 20°C; для категории 4 − KCU при − 20°C; для категории 5 − KCU при − 20°C и склонность стали к деформационному старению.

Уровень механических свойств зависит от толщины проката. Сортамент изделий из проката отличается большим разнообразием. Его подразделяют на четыре группы: сортовая сталь (круглый, квадратный, полосовой, угловой прокат; швеллеры; двутавровые балки), листовая сталь, специальные профили, трубы.
Прокат из углеродистых сталей обыкновенного качества предназначен для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин и приборов. Этим технологическим требованиям в наибольшей степени отвечают низкоуглеродистые стали, из которых изготавливают сварные фермы, рамы и другие строительные металлоконструкции. На выбор стали большое влияние оказывают также технологические свойства, прежде всего свариваемость и способность к холодной обработке давлением. Стали, поставляемые по техническим условиям, имеют также и специальное назначение: котло-, мосто- и судостроение. Стали Ст4 и особенно Ст3 широко применяют в сельскохозяйственном машиностроении.

Углеродистые качественные стали

К этим сталям предъявляются более жесткие требования по содержанию вредных примесей (серы не более 0,04 %, фосфора не более 0,035 %) и неметаллических включений. Качественные углеродистые стали выплавляют в электропечах, кислородных конвертерах и мартеновских печах по ГОСТ 1050-88. Качественные стали поставляют по химическому составу и по механическим свойствам (табл. 3). Качественные углеродистые стали маркируют двузначными цифрами 08, 10, 15,…60, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. При обозначении кипящей или полуспокойной в конце марки указывается степень раскисления: кп, пс. В случае спокойной стали степень раскисления не указывается.

По содержанию углерода качественные углеродистые стали подразделяются на низкоуглеродистые до 0,25 % С (малопрочные и высокопластичные стали и цементуемые), среднеуглеродистые свыше 0,25 до 0,5 % С (улучшаемые) и высокоуглеродистые конструкционные стали до 0,65 % С.

Малопрочные и высокопластичные стали 08, 10 из-за способности к глубокой вытяжке их применяют для холодной штамповки различных изделий. Цементуемые − стали 15, 20, 25 предназначены для деталей небольшого размера (кулачки, толкатели, малонагруженные шестерни и т. п.), от которых требуется твердая, износостойкая поверхность и вязкая сердцевина. Среднеуглеродистые стали 30, 40, 45, 50 отличаются большей прочностью, но меньшей пластичностью, чем низкоуглеродистые. Их применяют после улучшения, нормализации и поверхностной закалки (см. раздел «Термическая обработка сталей»). Стали после улучшения применяют для изготовления деталей небольшого размера, работоспособность которых определяется сопротивлением усталости (шатуны, маховики, валы малооборотных двигателей и т. п.). Для деталей ответственного назначения применяют высококачественные стали с еще более низким содержанием серы и фосфора. Необходимость обеспечения низкого содержания вредных примесей в высококачественных сталях приводит к дополнительному удорожанию и усложнению производства, поэтому высококачественные стали редко бывают углеродистыми, чаще всего − легированные. При обозначении высококачественных сталей в конце марки добавляется буква А, например сталь 40ХНМА.

Углеродистые стали, содержащие ≥ 0,7 углерода, используют для изготовления инструмента. Их маркируют У7, У8, У10, У12, У13, где «У» означает углеродистую сталь, цифра − содержание углерода в десятых долях процента. Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435-90) производят качественными У7, У8…У13 и высококачественными У7А, У8А…У13А. Углеродистые стали поставляют после отжига на зернистый цементит. Благодаря невысокой твердости состоянии поставки (187 − 217 НВ) углеродистые стали хорошо обрабатываются резанием и деформируются. Из-за низкой прокаливаемости (10 −12 мм) углеродистые стали пригодны для мелких инструментов (метчики, сверла, напильники, пилы и др.).

Легированные стали

Легирующими элементами называют элементы, специально вводимые в сталь для изменения ее строения и свойств. Соответственно стали, содержащие легирующие элементы, называют легированными. Марка легированных сталей состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав. По ГОСТ 4543-71 принято обозначать хром − Х, никель – Н, марганец − Г, кремний − С, молибден − М, вольфрам − В, титан − Т, ванадий − Ф, алюминий − Ю, медь − Д, ниобий − Б, бор − Р, кобальт − К. Буква А в середине марки стали показывает содержание азота, а в конце марки − сталь высококачественная. Число, стоящее после буквы, указывает на примерное содержание легирующего элемента в процентах. Если число отсутствует, то легирующего элемента меньше или около 1 %.

Число в начале марки конструкционной легированной стали показывает содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 30ХГС в среднем содержит 0,30 % С, 1 % Сr, 1 % Мn и 1 % Si. Особовысококачественные стали (например, после электрошлакового переплава) имеют в конце букву Ш, например 30ХГС-Ш. Некоторые группы сталей содержат дополнительные обозначения: марки подшипниковых сталей начинаются с буквы Ш, автоматных − А.
Нестандартные легированные стали, выплавляемые заводом «Электросталь», маркируют сочетанием букв ЭИ (электросталь исследовательская), ЭП (П − пробная) и порядковым номером (например, ЭИ 415) или ЗИ (Златоустовская исследовательская) и порядковый номер (например, ЗИ 90). Число в начале марки инструментальной легированной стали показывает содержание углерода в десятых долях процента. Например, сталь 9ХВГ в среднем содержит 0,9 % С, 1 % Сr, 1 % W, 1 % Мn. Если число перед буквами отсутствует, то углерода около или выше 1 %. Например, сталь ХВСГ в среднем содержит 0,95 – 1,05 % С, 1 % Сr, 1 % W, 1 % Si, 1 % Мn.

Концентрация некоторых легирующих элементов может быть очень малой. В количестве до 0,1 % вводят Nb, Ti, а содержание бора обычно не превышает 0,005 %. Если концентрация легирующего элемента составляет около 0,1 % и менее, легированные стали принять называть микролегированием.
Легированные стали классифицируют по структуре в равновесном состоянии, по структуре после охлаждения на воздухе, по количеству легирующих элементов и по назначению. По равновесной структуре стали делятся на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные и ледебуритные стали, в структуре которых присутствуют первичные карбиды, выделившиеся из жидкой фазы. Последнее обстоятельство объясняется тем, что легирующие элементы сдвигают влево точки S, Е диаграммы железо − углерод. Поэтому граница между перечисленными сталями проходит при меньшем содержании углерода по сравнению со значениями, указанными на диаграмме .

Учитывая (как было описано ранее), что некоторые элементы резко сужают или расширяют область , то кроме указанных групп существуют еще аустенитные и ферритные стали. Углеродистые стали бывают первых трех классов, легированные − всех шести. Деление по структуре, количеству легирующих
элементов и назначению было описано ранее.

Чугун

Сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14 % С называются чугунами. В отличие от стали чугуны имеют более высокое содержание углерода, заканчивают кристаллизацию с образованием эвтектики, обладают низкой способностью к пластической деформации и высокими литейными свойствами. Стоимость чугунов ниже стоимости стали. Чугуны выплавляют в доменных печах, вагранках и электропечах. Выплавляемые в доменных печах чугуны бывают передельными, специальными (ферросплавы) и литейными.

Передельные и специальные чугуны используют для последующей выплавки стали и чугуна. В вагранках и электропечах переплавляют литейные чугуны. Около 20 % всего выплавляемого чугуна используют для изготовления литья. В литейном чугуне обычно содержится не более 4,0 % С. Кроме углерода обязательно присутствуют в примеси S, Р, Мn, Si, причем в значительно большем количестве, чем в углеродистой стали. Углерод в чугуне может находиться в виде цементита или графита или одновременно в виде цементита и графита. Цементит придает излому специфический светлый блеск, поэтому чугун, в котором весь углерод находится в виде цемента, называют белым. Графит придает излому серый цвет, поэтому его называют серым чугуном. В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие группы чугунов: серый, высокопрочный с шаровидным графитом и ковкий чугун с хлопьевидным графитом являются разновидностью серых, но из-за повышенных механических свойств их выделяют в особые группы.

Белыми называются чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Согласно диаграмме состояния С белые чугуны подразделяют на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. Из-за большого количества цементита они твердые (450 − 550 НВ), хрупкие и для изготовления деталей машин не используются. Ограниченное применение имеют отбеленные чугуны − отливки из серого чугуна со слоем белого чугуна в виде твердой корки на поверхности. Из них изготовляют прокатные валки, лемехи плугов, тормозные колодки и другие детали, работающие в
условиях износа. В промышленности широко применяют серые, высокопрочные и ковкие чугуны, в которых весь углерод или часть его находится в
виде графита. Графит обеспечивает пониженную твердость, хорошую обрабатываемость резанием, а также высокие антифрикционные
свойства вследствие низкого коэффициента трения. Вместе с тем включения графита снижают прочность и пластичность, так как нарушают сплошность металлической основы сплава. Серые, высокопрочные и ковкие чугуны различаются условиями образования графитных включений и их формой, что отражается на механических свойствах отливок.

Серые чугуны

Серыми называются чугуны с пластинчатой формой графита. По химическому составу серые чугуны разделяют на обычные (нелегированные) и легированные. Обычные серые чугуны − сплавы сложного состава, содержащие основные элементы: Fe, С, Si и постоянные примеси: Mn, P и S. Содержание этих элементов в серых чугунах колеблется следующих пределах, %: 2,2 – 3,7 С; 1 – 3 Si; 0,2 – 1,1 Mn; 0,02 – 0,3 Р и 0,02 – 0,15 S. В небольших количествах в обычных серых чугунах могут содержаться Cr, Ni и Сu, которые попадают из руды. Почти все эти элементы влияют на условия графитизации, количество графитных включений, структуру металлической основы и, как следствие, свойства чугунов.

Углерод оказывает определяющее влияние на качество чугунов, изменяя количество графита и литейные свойства. Чем выше концентрация углерода, тем больше выделений графита и ниже механические свойства чугуна. По этой причине максимальное содержание углерода ограничивается доэвтектической концентрацией. В то же время снижение его содержания отрицательно сказывается на жидкотекучести и, следовательно, на литейных свойствах чугунов. Нижний предел углерода принимают для толстостенных отливок, верхний − для тонкостенных.

Кремний обладает сильным графитизирующим действием; способствует выделению графита в процессе затвердевания чугунов и разложению выделившегося цементита. Марганец затрудняет графитизацию чугунов, несколько улучшает механические свойства, особенно в тонкостенных отливках. Сера − вредная примесь. Она ухудшает механические и литейные свойства чугунов: понижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышает склонность к образованию трещин. Фосфор в количестве до 0,3 % растворяется в феррите. При большой концентрации он образует с железом и углеродом тройную «фосфидную» эвтектику. Она имеет низкую температуру плавления (950°С), что yвеличивает жидкотекучесть чугунов, но при этом имеет высокую твердость и хрупкость. Повышенное содержание фосфора допускается в отливках, от которых требуется высокая износостойкость (до 0,7 % Р), а также используемых для художественного литья (до 1 % Р). В литых чугунных деталях содержание фосфора ограничивают 0,3 %. Таким образом, степень графитизации в чугунах возрастает с yвеличением содержания углерода и кремния.

Аналогичное, но более слабое влияние оказывают примеси (или легирующие элементы) меди и никеля. Элементами, затрудняющими графитизацию (отбеливающими), являются марганец, сера, хром. Основные элементы, которыми регулируют структуру металлической основы серых чугунов,
− углерод и кремний. Кроме химического состава, структура чугуна и его свойства зависят от технологических факторов, главным из которых является
скорость охлаждения. С уменьшением скорости охлаждения возрастает количество графита, а с ее увеличением − количество химически связанного углерода. При выборе скорости охлаждения принимают во внимание толщину стенки отливки. Чем она больше, тем меньше скорость охлаждения, полнее протекает процесс графитизации.

В чугунах с высоким содержанием кремния при медленном охлаждении отливки первичная кристаллизация происходит в соответствии со стабильной диаграммой в этом случае графит появляется непосредственно из жидкой фазы. С увеличением скорости охлаждения создаются условия для первичной кристаллизации в соответствии с метастабильной диаграммой из жидкой фазы выделяется цементит, а графит образуется вследствие его распада при дальнейшем охлаждении. Иногда ледебурит не разлагается и остается в структуре. Вторичная кристаллизация преимущественно протекает в соответствии с метастабильной диаграммой, вторичный цементит и цементит перлита могут сохраниться или графитизироваться в зависимости от содержания кремния и скорости охлаждения. Наглядное представление о влиянии углерода и кремния на степень графитизации чугуна и его структуру дают структурные диаграммы. Структурная диаграмма, приведенная на рис. 76, а, справедлива для отливок с толщиной стенки 50 мм. Влияние толщины стенки
и состава чугуна (суммарного содержания углерода и кремния) характеризует диаграмма, представленная на рис. 76, б.

Поле диаграммы разбито на пять областей. Область I соответствует белому чугуну, имеющему структуру перлит + вторичный цементит + ледебурит; весь углерод здесь связан в виде цементита. В области II находится половинчатый чугун со структурой П + Ц + графит; количество связанного углерода в нем более 0,8 %.

Химический состав серых чугунов отвечает областям , и , где − область серого перлитного чугуна, – ферритоперлитного чугуна и – ферритного чугуна. По структуре металлической основы серые чугуны разделяют на три вида:

• серый перлитный со структурой П + графит. В этом чугуне количество связанного углерода составляет ~ 0,8 %;
• серый ферритно-перлитный со структурой Ф + П + графит. Количество связанного углерода в нем менее 0,8 %;
• серый ферритный со структурой Ф + графит. В этом чугуне весь углерод находится в виде графита.

Механические свойства серых чугунов зависят от свойств металлической основы и главным образом от количества, формы и размеров графитных включений. Прочность, твердость и износостойкость чугунов растут с увеличением количества перлита в металлической основе, которая по строению аналогична сталям. Решающее влияние графита обусловлено тем, что его пластинки, прочность которых ничтожно мала, действуют как надрезы или трещины, пронизывающие металлическую основу и ослабляющие ее. При растяжении (наиболее жестком виде нагружения) по концам графитных включений легко формируются очаги разрушения. По этой причине серые чугуны плохо сопротивляются растяжению, имеют низкие прочность и пластичность.

Относительное удлинение при растяжении независимо от структуры основы не превышает 0,5 %. Чем крупнее и прямолинейнее форма графитных включений, тем ниже сопротивление разрыву. И, наоборот, чем мельче и разобщеннее графитные включения, тем меньше их отрицательное влияние. Значительно слабее влияние графита при изгибе и особенно при сжатии, т. е. при более «мягких» видах нагружения. Статическая прочность серых чугунов при изгибе примерно в 2 раза, а при сжатии − в 4 раза выше, чем при растяжении. Прочность при сжатии и твердость определяются в основном структурой металлической основы
чугунов. Она близка к свойствам стали с той же структурой и составом, что и металлическая основа чугуна. Более высокая чувствительность чугунов к нормальным напряжениям, чем к касательным, сохраняется при циклических нагрузках. При этом сопротивление усталости у них, как и у сталей, растет с
увеличением статической прочности.

Предел выносливости при круговом изгибе Наибольшее его значение имеют чугуны с измельченными графитными включениями и перлитной основой. Для серых чугунов характерно следующее соотношение пределов выносливости при растяжении, изгибе и кручении:

. Наиболее высоко сопротивление усталости чугунов сжимающим напряжениям. При пульсирующем цикле сжатия
оно в 5 – 6 раз выше, чем при пульсирующем цикле растяжения. В соответствии с отмеченной особенностью чугуны целесообразнее использовать для деталей, работающих на сжатие. Однако в реальных условиях эксплуатации может возникнуть сложное напряженное состояние. В этом случае работоспособность чугуна лимитируется долей растягивающих напряжений, поэтому показателем механических свойств серых чугунов, в соответствии с ГОСТ 1412-85, является прочность при статическом растяжении.

Марка серого чугуна состоит из букв СЧ (серый чугун) и цифры, показывающей уменьшенное в 10 раз значение (в МПа) временного сопротивления при растяжении (табл. 4). Прочность чугуна существенно зависит от толщины стенки отливки. Указанное в марке значение σв соответствует отливкам с толщиной стенки 15 мм. При увеличении толщины стенки от 15 до 150 мм прочность и твердость чугуна уменьшаются почти в два раза. Графит, ухудшая механические свойства, в то же время придает чугунам ряд ценных свойств. Он измельчает стружку при обработке резанием, оказывает смягчающее действие и, следовательно, повышает износостойкость чугунов, придает им демпфирующую способность. Кроме того, пластинчатый графит обеспечивает малую чувствительность чугунов к дефектам поверхности.

Благодаря этому сопротивления усталости чугунных и стальных деталей соизмеримы. Номенклатура отливок из серого чугуна и их масса разнообразны: от деталей в несколько граммов (поршневые кольца двигателей) до отливок в 100 т и более (станины станков). Выбор марки чугуна для конкретных условий работы определяется совокупностью технологических и механических свойств. Ферритные серые чугуны СЧ40, СЧ15 предназначены для слабои средненагруженных деталей: крышки, фланцы, маховики, корпуса редукторов, подшипников, насосов, а также суппорты, тормозные барабаны, диски сцепления и пр.

Ферритно-перлитные серые чугуны СЧ20, СЧ25 применяют для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках: блоки цилиндров, картеры двигателя, поршни цилиндров, барабаны сцепления, станины различных станков, зубчатые колеса и другие. Перлитные серые модифицированные чугуны СЧ 30, СЧ 35 обладают более высокими механическими свойствами главным образом из-за мелких разобщенных графитных включений. Измельчение графитных включений в них достигается путем модифицирования жидкого чугуна ферросилицием или силикокальцием (0,3 − 0,6 % от массы шихты). Модифицированные чугуны используют для деталей, работающих при высоких нагрузках или в тяжелых условиях износа: зубчатые колеса, гильзы блоков цилиндров, шпиндели, распределительные валы и пр. Чугуны этих марок обладают наибольшей герметичностью. По этой причине их широко применяют также для корпусов насосов, компрессоров, арматуры тормозной пневматики и гидроприводов.

Для деталей, работающих при повышенных температурах, применяют легированные серые чугуны: жаростойкие (дополнительно содержат Сr, АI), жаропрочные (Сr, Ni, Mo). Применение находят также немагнитные, хромоникелевые чугуны с аустенитной структурой, из которых изготавливают стойки для магнитов, крышки выключателей и пр. Отливки из серого чугуна подвергают термической обработке. Используют низкий отжиг (~ 560°С) для снятия внутренних напряжений и стабилизации размеров, нормализацию или закалку с отпуском для повышения механических свойств и износостойкости. Для повышения износостойкости гильз цилиндров, распределительных валов и других деталей отдельных двигателей автомобилей перлитные чугуны подвергают азотированию.

Высокопрочные чугуны

Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Их получают модифицированием магнием, который вводят в жидкий чугун в количестве 0,02 − 0,08 %. Ввиду того, что модифицирование чугунов чистым магнием сопровождается сильным пироэффектом, чистый магний заменяют лигатурами (например, сплавом магния и никеля). Чугун после модифицирования имеет следующий химический состав, %: 3,0 – 3,6 С; 1,1 – 2,9 Si;
0,3 – 0,7 Мп; до 0,02 S и до 0,1 Р. По структуре металлической основы высокопрочный чугун может быть ферритным или перлитным. Ферритный чугун в основном состоит из феррита и шаровидного графита; допускается до 20 % перлита. Структура перлитного чугуна – сорбитообразный или пластинчатый перлит и шаровидный графит; допускается до 20 % феррита (рис.78, а, б).

Шаровидный графит менее сильный концентратор напряжений, чем пластинчатый, поэтому он меньше снижает механические свойства металлической основы. Чугуны с шаровидным графитом обладают более высокой прочностью и некоторой пластичностью. Марка высокопрочного чугуна состоит из букв ВЧ и числа, обозначающего уменьшение в 10 раз значение его временного сопротивления (см. табл. 4). Высокопрочные чугуны применяют в различных отраслях техники, эффективно заменяя сталь во многих изделиях и конструкциях. Из них изготовляют оборудование прокатных станов (прокатные валки массой до 12 т), кузнечно-прессовое оборудование (траверса пресса, шабот ковочного молота); в турбостроении − корпус паровой турбины, лопатки направляющего аппарата; в дизеле-, тракторо- и автомобилестроении: коленчатые валы, поршни и многие другие ответственные детали, работающие при высоких циклических нагрузках и в условиях изнашивания.

В некоторых случаях для улучшения механических свойств применяют термическую обработку отливок: закалку и отпуск при 500 − 600°С для повышения прочности; отжиг, способствующий сфероидизации перлита, для увеличения пластичности.

Чугуны с вермикулярным графитом

Наряду с шаровидным графитом высокопрочные чугуны могут содержать графит вермикулярной формы. Такой графит имеет форму изогнутых лепестков, размеры которых меньше по сравнению с частицами пластинчатого серого чугуна. В чугунах с вермикулярным графитом структура формируется под действием комплексного модификатора (около 5 % Мg и малые добавки Ce и Ti). Графит приобретает шаровидную (до 40 %) и вермикулярную − в виде мелких тонких прожилок − форму.

После модифицирования эти чугуны содержат, %: 3,1 – 3,8 С; 2,0 – 3,0 Si; 0,2 – 1,0 Мп; до 0,025 S; 0,08 Р. Чугуны с вермикулярным графитом производят четырех марок: ЧВГ 30; ЧВГ 35; ЧВГ 40; ЧВГ 45 (табл. 4). Число в марке обозначает уменьшенное в 10 раз значение временного сопротивления. По механическим свойствам чугуны с вермикулярным графитом занимают промежуточное положение между серыми и высокопрочными чугунами. Они прочнее серых чугунов, особенно при циклических нагрузках; предел выносливости σ-1 составляет 140 МПа у ЧВГ 30 и 190 МПа у ЧВГ 45. Механические свойства этих чугунов в меньшей степени зависят от массы отливок. Они отличаются хорошей теплопроводностью (40 – 50 Вт/(м·К)), что обеспечивает их стойкость к теплосменам.

Чугуны с вермикулярным графитом заменяют серые чугуны в отливках, подвергаемых циклическим нагрузкам и частым теплосменам. Из них отливают блоки цилиндров, поршни, гильзы, крышки цилиндров двигателей внутреннего сгорания, а также изложницы и кокили. При введении в состав чугунов до 1,2 % Ni и 0,4 % Мо они хорошо противостоят изнашиванию и кавитации.

Ковкие чугуны

Ковкими называются чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Их получают отжигом белых доэвтектических чугунов. По этой причине графит ковких чугунов называют углеродом отжига. Такой графит, в отличие от пластинчатого, меньше снижает механические свойства металлической основы, вследствие чего ковкие чугуны по сравнению с серыми обладают более высокой прочностью и пластичностью. Отливки из белых чугунов, подвергаемые отжигу на ковкие чугуны, изготовляют тонкостенными. Они не должны иметь сечение более 50 мм; иначе в сердцевине при кристаллизации выделяется
пластинчатый графит, и чугун становится непригодным для отжига. По этой же причине исходные белые чугуны имеют пониженное содержание углерода и кремния. Их химический состав следующий, %: 2,4 – 2,9 С; 1,0 – 1,6 Si; 0,2 – 1,0 Мп; до 0,2 S и до 0,18 Р. По структуре металлической основы, которая определяется режимом отжига, ковкие чугуны бывают ферритными и перлитными (рис. 79).

Отжиг на ферритные чугуны проводят по режиму I (рис. 80), обеспечивающему графитизацию всех видов цементита белых чугунов. Отливки из такого чугуна загружают в специальные ящики и засыпают песком или стальными стружками для защиты от окисления и медленно (20 − 25 ч) нагревают до температуры несколько ниже эвтектической 950 − 1000°С. В процессе продолжительной (10 − 15 ч) выдержки при такой температуре происходит первая стадия графитизации. Она состоит в распаде эвтектического и вторичного цементита (имеющегося в небольшом количестве при этой температуре). К концу первой стадии графитизации чугун состоит из аустенита и включений углерода отжига. Затем температуру медленно снижают. При этом происходит промежуточная стадия графитизации − распад выделяющегося вторичного цементита. Вторая стадия графитизации протекает или при весьма медленном охлаждении в эвтектоидном интервале температур, или при длительной выдержке (25 − 30 ч) несколько ниже температуры эвтектоидного превращения (720 − 740°С). В процессе этой выдержки распадается цементит перлита. В результате такого отжига продолжительностью 70 − 80 ч весь углерод выделяется в свободном состоянии и формируется структура, состоящая из феррита и углерода отжига.

Перлитный ковкий чугун получают отжигом, который проводят в окислительной среде по режиму II (см. рис. 80). В этом случае увеличивают продолжительность первой стадии графитизации, после которой проводят непрерывное охлаждение отливок до 20°С. Поскольку графитизация цементита перлита практически не происходит, чугун приобретает структуру, состоящую из перлита и углерода отжига.

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ

По назначению инструментальные стали делятся на стали для режущего, штампового и измерительного инструментов. Кроме того, для изготовления режущего инструмента, особенно при скоростной обработке, широко применяют твердые сплавы.

Стали и сплавы для режущего инструмента

Основные требования, предъявляемые к сталям

Режущий инструмент работает в условиях длительного контакта и трения с обрабатываемым металлом. В процессе эксплуатации должны сохраняться неизменными конфигурация и свойства режущей кромки. Материал для изготовления режущего инструмента должен обладать высокой твердостью (≥ 60 – 62 HRC) и износостойкостью, т. е. способностью длительное время сохранять режущие свойства кромки в условиях трения. По теплостойкости различают три группы инструментальных сталей для режущего инструмента: нетеплостойкие, полутеплостойкие и теплостойкие.

При нагреве до 200 – 300° С у нетеплостойких сталей в процессе резания углерод выделяется из мартенсита закалки и начинается коагуляция карбидов цементитного типа. Это приводит к потере твердости износостойкости режущего инструмента. К нетеплостойким относятся углеродистые и низколегированные стали, содержащие до 3 – 4 % легирующих элементов. Полутеплостойкие стали, к которым относятся некоторые среднелегированные стали, содержащие более 4 % хрома и другие карбидообразующие элементы, например 9Х5ВФ, сохраняют твердость до температур около 400° С. Теплостойкие стали сохраняют твердость и износостойкость при нагреве до температур несколько выше 600º С.

Углеродистые и низколегированные стали имеют сравнительно низкую теплостойкость и невысокую прокаливаемость, поэтому их используют для более легких условий работы при малых скоростях резания. Быстрорежущие стали, имеющие более высокую теплостойкость и прокаливаемость, применяют для более тяжелых условий работы. Еще более высокие скорости резания допускают твердые сплавы и керамические материалы. Из существующих материалов наибольшей теплостойкостью обладает нитрид бора − эльбор. Эльбор позволяет обрабатывать материалы высокой твердости, например закаленную сталь, при высоких скоростях. Углеродистые стали (ГОСТ 1435-90). Для изготовления инструмента применяют углеродистые качественные стали марок У7 – У13 и высококачественные стали марок У7А – У13А. Качественные стали содержат не более 0,03 % серы и фосфора, высококачественные − не более 0,02 %.

По назначению различают углеродистые стали для работы при ударных нагрузках и для статически нагруженного инструмента. Стали марок У7 – У9 применяют для изготовления инструмента при работе с ударными нагрузками, от которого требуется высокая режущая способность (зубила, клейма по металлу, деревообделочный инструмент, в частности пилы, топоры и т. д.). Стали марок У10 – У13 идут на изготовление режущего инструмента, не испытывающего при работе толчков, ударов и обладающего высокой твердостью (напильники, штампы для холодного деформирования и т. п.).
Термическая обработка углеродистых инструментальных сталей состоит из двух операций: предварительной и окончательной обработок. Предварительная термическая обработка сталей заключается в отжиге при 740 – 760° С, цель которого − получить микроструктуру, состоящую из зернистого перлита. Окончательная термическая обработка состоит из закалки и низкого отпуска. Углеродистые стали целесообразно применять для инструмента
диаметром или толщиной 12 – 15 мм. Отпускают эти стали при температурах не выше 200º С (150 – 180º С). Твердость после окончательной обработки 56 – 64 HRC. Достоинства углеродистых инструментальных сталей− низкая стоимость; недостатки: невысокие скорости резания и ограниченные размеры инструмента из-за низкой прокаливаемости.

Легированные стали
Низколегированные стали для режущего инструмента (13X6, 9ХС) также не обладают высокой теплостойкостью и обычно пригодны для работы при температурах не более 200 – 250º С. Среднелегированные стали типа 9Х5ВФ, 3Х4В3М3Ф2 имеют более высокую теплостойкость (300 – 500° С). В отличие от углеродистых легированные стали обладают большей устойчивостью переохлажденного аустенита, следовательно, большой прокаливаемостью и несколько более высокой износостойкостью. Их можно закаливать в масле до критического диаметра 40 мм и более. Применение масла или полимерных закалочных сред позволяет уменьшить деформацию и коробление инструмента. Он может иметь большее сечение, а благодаря меньшему короблению и большую длину.

Низколегирванная сталь 13Х имеет сравнительно неглубокую прокаливаемость и рекомендована для инструментов диаметром до 15 мм. Из этой стали изготавливают хирургический, гравировальный инструменты, лезвия безопасных бритв. Стали 9ХС, ХВГ, ХВСГ используют для изготовления инструментов крупного сечения: сверл, разверток, протяжек диаметром 60 – 80 мм (табл. 15, ГОСТ 5950-73). Обычная термическая обработка легированных режущих сталей
состоит из закалки от 330 – 870° С в масле или ступенчатой закалки и отпуска при температуре 200° С. Твердость после термообработки составляет 61 – 65 HRC. Если необходимо увеличить вязкость, то температуру отпуска повышают до 200 – 300º С. Вследствие некоторого распада мартенсита твердость после этого снижается до 55 – 60 HRC.

Быстрорежущие стали
С увеличением скорости резания возрастают требования к теплостойкости стали. Этим требованиям в большей мере удовлетворяют быстрорежущие стали, впервые предложенные в 1902 г.

Быстрорежущие стали маркируют буквой Р (rapid − быстрый, скорый), цифры показывают среднее содержание вольфрама – основного легирующего элемента. Среднее содержание углерода во всех быстрорежущих сталях обычно несколько меньше 1 %, а хрома − до 4 % , поэтому эти элементы не указываются. Содержание остальных легирующих в целых процентах указывается как обычно цифрами, следующими за их буквенным обозначением. Быстрорежущая сталь после закалки и отпуска имеет структуру высоколегированного отпущенного мартенсита с карбидами. Она сохраняет первоначальную структуру практически неизменной при нагреве до 600 – 620º С. Резцы из быстрорежущей стали позволяют увеличить скорость резания в 2 – 4 раза и стойкость инструментов в
10 – 30 раз по сравнению с теми же характеристиками инструмента из сталей с низкой теплостойкостью. Химический состав ряда быстрорежущих сталей приведен в табл. 16.

Потеря твердости при нагреве обусловлена в первую очередь распадом мартенсита и коагуляцией выделившихся карбидов. Коагуляция карбидов в углеродистой и легированной сталях при температурах выше 300° С ведет к быстрой потере твердости. Теплостойкость быстрорежущих сталей обусловлена легированием карбидообразующими элементами – вольфрамом, ванадием и молибденом в количествах, достаточных для связывания почти всего углерода в специальные карбиды. Распад мартенсита и коагуляция специальных карбидов происходит при температурах 600 – 650º С. При затвердевании литой быстрорежущей стали образуется эвтектика, напоминающая ледебурит и располагающаяся по границам зерен. Быстрорежущие стали относятся к ледебуритному классу. После ковки или прокатки сетка эвтектики подвергается дроблению с измельчением входящих в нее карбидов и более равномерным их распределением в основной матрице.

После прокатки или ковки быстрорежущую сталь подвергают изотермическому отжигу для уменьшения твердости и облегчения механической обработки. Сталь выдерживают при 740° С до полного превращения аустенита в перлито-сорбитную структуру. Высокую теплостойкость инструмент из быстрорежущих сталей приобретает после закалки и многократного отпуска. При нагреве под закалку необходимо обеспечить максимальное растворение карбидов
и получение высоколегированного аустенита. Такая структура увеличивает прокаливаемость и позволяет получить после закалки мартенсит с высокой теплостойкостью.

Температура закалки сталей составляет, °С: Р18 – 1270…1290, Р9 – 1220…1240, Р6М5 – 1210…1230. Во избежание трещин и деформации инструмента из-за низкой теплопроводности сталей применяют ступенчатый нагрев под закалку в расплавленных солях, а закалку производят в масле.
После закалки структура быстрорежущей стали состоит из высокоуглеродистого мартенсита, нерастворенных при нагреве избыточных карбидов и около 30 % остаточного аустенита. Остаточный аустенит снижает твердость, режущие свойства стали, ухудшает ее шлифуемость; его присутствие в структуре нежелательно. При многократном отпуске из остаточного аустенита выделяются дисперсные карбиды, легированность аустенита уменьшается и он
претерпевает мартенситное превращение.

Обычно применяют трехкратный отпуск при 550 – 570° С в течение 45 – 60 мин. Режим термической обработки инструмента из быстрорежущей стали Р18 показан на рис. 105. Число отпусков может быть сокращено при обработке холодом после закалки, в результате которой уменьшается содержание остаточного аустенита. Обработке холодом подвергают инструменты сравнительно простой формы Твердость после закалки 62 – 63 HRC, а после отпуска она увеличивается до 63 – 65 HRC. Известно применение порошков быстрорежущих сталей для изготовления инструмента. Исходная шихта состоит из предварительно тонко измельченной стружки быстрорежущей стали, которую формуют в холодном состоянии с последующим спеканием формованных
заготовок. Спекание производят в вакууме при температуре 1200 – 1250° С в течение 3 – 5 ч. Для уменьшения пористости порошковую быстрорежущую сталь подвергают горячей штамповке или горячему прессованию. После этого изделия подвергают термической обработке, характерной для данной марки стали.

Порошковая быстрорежущая сталь обладает более высокой теплостойкостью, чем сталь, изготовленная традиционными методами, и, как следствие, большей износостойкостью. Это объясняется более высокой степенью легированности аустенита элементами, входящими в состав стали, мелкодисперсной структурой и равномерным распределением карбидной фазы. В структуре порошковой быстрорежущей стали отсутствует карбидная неоднородность. Быстрорежущая сталь,
изготовленная методом порошковой металлургии, имеет стойкость в 1,5 – 2 раза выше, чем стойкость быстрорежущей стали, полученной традиционным способом.

Металлокерамические твердые сплавы (ГОСТ 3882-74)

Металлокерамические твердые сплавы являются инструментальными материалами, состоящими из карбидов тугоплавких металлов и кобальта, играющего роль связки. Твердые сплавы изготовляют методом порошковой металлургии. Применяют карбиды вольфрама, титана и тантала, а за рубежом − также карбиды ниобия и ванадия. Сплавы получают спеканием порошков карбидов с порошком кобальта, являющегося связующим компонентом, при 1400 – 1550° С после предварительного прессования.
Твердые сплавы изготавливают в виде пластин, которые медным припоем припаивают к державке из обычной углеродистой стали. Твердые сплавы применяют для резцов, сверл, фрез и другого инструмента. Инструмент из металлокерамических твердых сплавов характеризуется высокой твердостью (80 – 97 HRA), износостойкостью в сочетании с высокой теплостойкостью (до 800 −1000° С). Их недостатком является высокая хрупкость. Скорость резания твердыми сплавами в 5 −10 раз выше скорости резания быстрорежущими сталями.

В зависимости от состава карбидной основы различают три группы твердых сплавов: вольфрамовые, титан-вольфрамовые и титан-тантал-вольфрамовые.
Вольфрамовые твердые сплавы изготовляют на основе карбида вольфрама WC и кобальта. Сплавы этой группы называют однокарбидными и обозначают буквами ВК и цифрой, показывающей содержание кобальта в процентах. Например, сплав ВК3 содержит 3 % Со и 97 % WC. Содержание кобальта может меняться (сплавы ВК6, ВК8).

Чем больше содержание кобальта, тем выше прочность, хотя и несколько ниже твердость сплава. Они теплостойки до 800º С. Их обычно применяют для обработки чугуна, сплавов цветных металлов. Сплавы второй группы (двухкарбидные) изготовляют на основе карбидов WC и TiC на кобальтовой связке. Их маркируют буквами Т, К и цифрами. Цифры после буквы Т указывают содержание карбидов титана в процентах, а цифры после буквы К − содержание кобальта. Например, сплав Т15К6 содержит 15 % TiC, 6 % Со, остальное, т. е. 79 % , WC. Карбид вольфрама растворяется в карбиде титана при температуре спекания, образуя твердый раствор (Ti, W)C, имеющий более высокую твердость, чем WC. Сплавы этой группы имеют более высокую (до 900 – 1000° С) теплостойкость, повышающуюся с увеличением содержания карбидов титана. Их в основном применяют для высокоскоростной обработки сталей.

Для изготовления сплавов третьей группы используют карбиды вольфрама, титана, тантала и порошок кобальта в качестве связки. Эти сплавы маркируют буквами ТТК и цифрами. Цифра, стоящая после букв ТТ, указывает суммарное содержание карбидов титана TiC и тантала ТаС, а цифра, стоящая после буквы К, – содержание кобальта. Например, сплав ТТ7К12 содержит 4 % TiC, 3 % ТаС, 12 % Со и 81 % WC. В их структуре присутствует твердый раствор (Ti, Та, W)C
и избыток WC. Сплавы этого типа имеют более высокую прочность, чем сплавы второй группы, и лучшую сопротивляемость ударным воздействиям, вибрации и выкрашиванию. Их применяют для более тяжелых условий резания (черновое точение стальных слитков, поковок, литья).

Стали для измерительного инструмента

Стали этого назначения должны обладать высокой твердостью и износостойкостью, сохранять постоянство формы и размеров в течение длительного срока эксплуатации. Кроме того, от них требуется хорошая обрабатываемость для получения высокого класса чистоты поверхности и малая деформация при термической обработке. Для измерительного инструмента обычно применяют высокоуглеродистые стали У8 – У12 и низколегированные стали марок X,
ХГС, ХВГ, 9ХС, содержащие около 1 % С и до 1,5 % Сr.

Их твердость после термообработки должка быть не менее 60 – 64 HRC. После обычной термической обработки в структуре высокоуглеродистых сталей обычно присутствует остаточный аустенит, обусловливающий ее нестабильность. Для обеспечения высокой твердости стали и стабильности размеров инструмента в процессе эксплуатации проводится специальная термическая обработка. Она состоит из закалки в масле, для особо точных инструментов включает дополнительно обработку холодом при температуре −80° С и длительный (до 30 ч) низкотемпературный отпуск – старение при 120 – 170º С.
Нагрев при более высокой температуре недопустим из-за снижения твердости и износостойкости инструмента. Длительный отпуск предотвращает процессы старения и распад мартенсита в течение всего периода эксплуатации инструмента. Для измерительных инструментов большого размера и сложной геометрии используют азотируемые стали типа 38Х2МЮА.

Штамповые стали

Штамповые стали применяют для изготовления штампов холодного и горячего деформирования, пуансонов, матриц, фильер, прессформ для литья под давлением. Химический состав некоторых марок штамповых сталей приведен в табл. 17. В зависимости от температурных условий эксплуатации различают штамповые стали для деформирования в холодном и горячем состояниях.

Стали для штампов холодного деформирования
Стали этого типа должны обладать высокой твердостью и износостойкостью, высокой прочностью и удовлетворительной вязкостью для работы при ударных нагрузках. В зависимости от назначения различают три группы штамповых сталей для деформирования в холодном состоянии. К первой группе относятся стали для вытяжных и вырубных штампов. Основные требования, предъявляемые к этим сталям, − высокая твердость и износостойкость. Для изготовления штампов этого типа применяют углеродистые стали марок У10 − У12 и низколегированные стали X, ХВГ, ХВСГ. После неполной закалки их отпускают при 150 – 180° С на твердость 60 HRC. Стали с повышенным содержанием хрома (6 – 12 %) (Х6ВФ, Х12, Х12М, Х12Ф1) имеют более высокую износостойкость и глубокую прокаливаемость. Высокая твердость этих сталей достигается благодаря присутствию в структуре большого количества карбидов
хрома Сr7С3. Однако повышенное содержание карбидов хрома приводит к росту карбидной неоднородности. Структура и свойства высокохромистых сталей в значительной мере определяются правильным выбором режима термической обработки, особенно температуры закалки. После закалки обычно проводят низкий отпуск на твердость 61 – 63 HRC. Хорошо зарекомендовали себя стали Х12Ф4М, Х6Ф4М.

Молибден и ванадий, дополнительно введенные в состав сталей, способствуют получению мелкозернистой структуры. Износостойкость
штампов из стали Х12Ф4М в 1,5 − 2 раза выше по сравнению с износостойкостью штампов из стали Х12М. Вторую группу составляют стали для штампов холодного выдавливания, испытывающие большие удельные давления. Эти стали должны хорошо сопротивляться деформации и иметь высокую прочность. Присутствие в их структуре остаточного аустенита недопустимо. Для этого необходимо проведение высокого отпуска при температуре не ниже 500º С. Поэтому, хотя эти стали и относятся к сталям для штампов холодного деформирования, они должны иметь довольно высокую теплостойкость. Этим требованиям удовлетворяет сталь 6Х4М2ФС.

К третьей группе относятся стали для высадочных и чеканочных штампов, работающих при высоких ударных нагрузках. Сложность создания таких сталей состоит в том, что для повышения твердости необходимо увеличение содержания углерода, что может приводить к снижению ударной вязкости. Обычно для штампов этого назначения используют сталь 7X3. Более высокую стойкость показала сталь марки 6Х3ФС.

Стали для штампов горячего деформирования
В еще более тяжелых условиях работают штамповые инструменты для горячего формообразования. Материал штампов соприкасается с горячим металлом и нагревается, причем нагрев чередуется с охлаждением. Материал для горячих штамповок должен удовлетворять комплексу требований:

• иметь высокую прочность, не менее 1000 МПа;
• иметь достаточную вязкость;
• обладать высоким сопротивлением термической усталости;
• иметь хорошую окалиностойкость и высокую прокаливаемость.

В соответствии с указанными требованиями для штампов горячего формообразования применяют легированные стали, содержащие 0,3 – 0,6 % С, подвергаемые закалке и отпуску при 550 – 680º С с целью получения трооститной и троостито-сорбитной структуры. Для молотовых штампов применяют сталь 5ХНМ и ее аналоги: 5ХНВ, 5ХНТ, 5ХГМ. После закалки и отпуска при 550° С сталь 5ХНМ при комнатной температуре имеет следующие механические
свойства:

При нагреве до 500° С:

При температурах эксплуатации выше 500° С стойкость инструмента из стали 5ХНМ резко падает. Хорошо зарекомендовали себя на автотракторных машиностроительных заводах стали 4ХМФС, 5Х2СФ и 4ХСНМЦР. Внедрение этих сталей взамен 5ХНМ для штамповки углеродистых и низколегированных сталей позволило повысить стойкость инструмента в 2 − 3 раза. Для изготовления крупногабаритных прессовых и молотовых штампов применяют сталь 5Х2НМФС, обеспечивающую повышение стойкости более чем в 2 раза. Для прессформ литья под давлением и прессования цветных металлов и сплавов до последнего времени использовали сталь 3Х2В8Ф.

Для изготовлений крупного прессового инструмента (прессштемпелей, втулок контейнеров и матриц) на заводах цветной металлургии применяют стали 3ХВ4СФ и 4ХСН2МВФ. Разработан новый класс штамповых сталей с регулируемым аустенитным превращением при эксплуатации с рабочей температурой
700 – 800º С. Примером такой стали служит 4Х2Н5М3К5Ф.

КОРРОЗИОННО-СТОЙКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Коррозией называют разрушение материалов под влиянием окружающей среды в результате ее химического или электрохимического воздействия. В зависимости от свойств окружающей среды и характера ее физико-химического воздействия на материал различают:
1) химическую коррозию, обусловленную воздействием сухих газов, а также жидкостей, не являющихся электролитами (нефть, бензин, фенол);
2) электрохимическую коррозию, обусловленную воздействием жидких электролитов: водных растворов солей, кислот, щелочей, влажного воздуха, грунтовых вод, т. е. растворов, содержащих ионы и являющихся проводниками электричества.

Химическая коррозия. Наиболее распространенным видом химической коррозии является газовая коррозия при высоких температурах − процесс взаимодействия с кислородом или активными газовыми средами (галогены, диоксид серы, сероводород, пары серы, диоксид углерода и т. д.). При газовой коррозии разрушаются такие ответственные узлы и детали, как лопатки газовых турбин, сопла реактивных двигателей, арматура печей. В производственных условиях чаще всего сталкиваются с окислением металлов, в случае сплавов на основе железа − с образованием окалины. Защитные свойства металлов от окисления обусловлены образованием сплошных оксидных пленок на их поверхности.

Для обеспечения сплошности пленок необходимо, чтобы объем оксида был больше объема металла из которого он образовался:

В противном случае получается прерывистая пленка, не способная эффективно защитить металл от коррозии. Такая пленка характерна для магния

, что затрудняет защиту сплавов на его основе от коррозии. Помимо сплошности, оксидные пленки должны обладать высокими механическими свойствами, хорошо сцепляться с металлом и иметь достаточную толщину, обеспечивающую высокие защитные характеристики. Этим требованиям удовлетворяет пленка оксида хрома

что обусловливает высокую устойчивость против коррозии сталей и жаростойких сплавов с высоким содержанием хрома. Электрохимическая коррозия. Электрохимическая коррозия − наиболее распространенный вид коррозии металлов. При электрическом контакте двух металлов или двух различающихся по свойствам фазовых составляющих одного металла, которые обладают разными электродными (электрохимическими) потенциалами, но находятся в одном электролите, образуется гальванический элемент. Поведение металлов или отдельных фаз зависит от значения их электродного потенциала. Металл или фаза, имеющие более отрицательный электродный потенциал (анод), отдают положительно заряженные ионы в раствор и растворяются (рис. 103). Избыточные электроны перетекают в металл или фазу, имеющие более высокий электродный потенциал (катод). Катод при этом не разрушается, а электроны из него
удаляются во внешнюю среду. Чем ниже электродный потенциал металла или фазы по отношению к стандартному водородному потенциалу, принятому за нулевой уровень, тем легче металл или фаза отдают ионы в раствор, тем ниже их коррозионная стойкость.

Коррозионно-стойкие стали. Устойчивость против коррозии повышается при введении в состав стали хрома, алюминия, кремния. Эти элементы образуют непрерывную прочную оксидную пленку и повышают электродный потенциал, т. е. увеличивают электроположительность стали. Сталь, содержащая 12 – 14 % Сr, устойчива против коррозии в атмосфере, морской воде, ряде кислот, щелочей и солей. Кроме хрома, в состав коррозионно-стойких сталей вводят также другие элементы − чаще никель. С ростом содержания хрома коррозионная стойкость стали растет.

Коррозионно-стойкие стали обычно делят на хромистые ферритные, содержащие 12 – 25 % Сr и 0,07 – 0,2 % С, и хромистые мартенситные, содержащие 12 – 18 % Сr и 0,15 – 1,2 % С, а также аустенитные стали, содержащие 12–18 % Сr, 8 – 30 % Ni и 0,02 – 0,25 % С. Хромистые стали после охлаждения на воздухе имеют ферритную, феррито-мартенситную (с содержанием феррита более 10 %) и мартенситную структуру. Они коррозионно-стойки при температуре до 300° С в водопроводной воде, влажной атмосфере, растворах азотной кислоты и многих органических кислотах. В морской воде хромистые стали подвержены коррозионному растрескиванию под напряжением. Марки, химический состав и свойства хромистых сталей приведены в табл. 11.

Хромистые стали при нагреве и охлаждении претерпевают фазовое -превращение, что позволяет их упрочнять, не теряя коррозионной стойкости. Прочность после закалки возрастает с увеличением содержания углерода. Отпуск не приводит к существенному обеднению твердого раствора хромом, и коррозионная стойкость сохраняется на высоком уровне.

Термическая обработка мартенситных сталей, например 20X13, 30X13, состоит из закалки от температуры 1000° С в масле и низкого отпуска при температурах 200 – 300º С. После такой обработки стали имеют структуру отпущенного мартенсита. Из них изготавливают режущий, формовочный, измерительный и хирургический инструмент, пружины, а также предметы домашнего обихода. Для изготовления подшипников, втулок, ножей и других деталей, работающих на износ в агрессивных средах, применяют сталь 95X18. После закалки от 1000 – 1050° С в масле и отпуска при 200 – 300° С сталь имеет высокую твердость − не менее 55 HRC. Феррито-мартенситные стали закаливают от температуры 1000° С и подвергают высокому отпуску (600 – 700° С) для получения сорбитной структуры.

В отожженном состоянии эти стали пластичны и могут подвергаться не только горячей, но и холодной обработке давлением. Они применяются для изготовления деталей с повышенной пластичностью, подвергающихся ударным нагрузкам, работающих в слабоагрессивных средах. К таким деталям относятся клапаны гидравлических прессов, мешалки, валы и шнеки в пищевой промышленности. Ферритные стали подвергают отжигу при температуре
700 – 800º С для получения однородного твердого раствора и увеличения коррозионной стойкости. Из сталей марок 08X13, 12X17, 15Х25Т, 15X28 изготавливают оборудование и оснастку предприятий пищевой и легкой промышленности, трубы теплообменной аппаратуры, работающие в агрессивных средах. Сварке ферритные стали подвергают редко, поскольку она приводит к росту зерна и снижению коррозионной стойкости.
Аустенитные хромоникелевые коррозионно-стойкие стали после охлаждения на воздухе имеют аустенитную, аустенитномартенситную и аустенитно-ферритную (феррита более 10 %) структуру. Широко применяемые стали типа 12Х18Н10Т, 12Х18Н9, 04Х18Н10, 0ЗХ18Н12, 17Х18Н9 обычно содержат 18 % Сr и
9 – 1,2 % Ni. Они имеют более высокую коррозионную стойкость по сравнению с хромистыми сталями и в отличие от хромистых сталей сохраняют ее при нагреве. Термообработка этих сталей заключается в закалке от температуры около 1100º С в воде без отпуска. Высокая температура при закалке необходима для растворения карбидов и получения структуры однородного аустенита. После закалки стали имеют чисто аустенитную структуру, низкую твердость, высокую пластичность; они немагнитны, хорошо деформируются и свариваются. Высокая технологичность сталей позволяет широко использовать их в качестве конструкционного материала.

ЖАРОСТОЙКИЕ И ЖАРОПРОЧНЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ

Основными характеристиками материалов, работающих при высоких температурах, являются жаростойкость и жаропрочность. Жаропрочные и жаростойкие материалы применяют для изготовления деталей установок, которые подвергаются механическим нагрузкам при высоких температурах. Например, тепловые электростанции, установки нефтехимических предприятий и нефтеперерабатывающей промышленности, промышленные нагревательные печи,
газовые турбины и авиационные двигатели. Современные ТЭЦ используют пар, нагретый до 500 – 560° С, а в некоторых случаях − до 650° С. Стационарные газовые турбины и воздухонагреватели работают при температуре более 700º С. Наиболее высокие рабочие температуры в авиационных двигателях и химических установках достигают 1100° С и более.

Способность металла сопротивляться химической коррозии в сухой газовой среде при высоких температурах называется жаростойкостью или окалиностойкостью. Железо с кислородом может образовывать оксиды трех видов: До 560 – 600° С окалина состоит преимущественно из плотного слоя оксидов и что затрудняет диффузию атомов кислорода и металла. Выше 600° С происходит растрескивание этих оксидов и вместо них защита металла осуществляется лишь рыхлым оксидом FeO, что облегчает доступ кислорода к поверхности металла. Нагрев более 600° С приводит к интенсивному окислению сплавов на основе железа.

Основным фактором, влияющим на жаростойкость, является химический состав металла, определяющий защитные свойства оксидной пленки. В табл. 12 приведена сравнительная оценка жаростойкости ряда чистых металлов, определенная по 5-бальной шкале скорости окисления в воздушной среде в интервале рабочих температур.

Рыхлый оксид магния практически не защищает металл при нагреве. Магний не только быстро окисляется, но и легко воспламеняется при нагреве, благодаря чему используется в пиротехнике. Оксиды металлов второй группы при нагреве разрушаются как за счет сублимации (в случае Мо и W), так и благодаря растворению в металле входящего в них кислорода (Ti, Zr).

При повышении температуры сверх определенного предела возрастает дефектность оксидов металлов третьей группы. Для технического железа предельная рабочая температура нагрева в воздушной среде составляет 560º С. Металлы четвертой группы, благодаря плотной оксидной пленке с высокими защитными свойствами при нагреве, имеют хорошую жаростойкость. Хром и алюминий, наряду с кремнием, используют для повышения жаростойкости легированных сталей. Оксид легирующего элемента должен быть плотным, не подверженным растрескиванию при нагреве, иметь высокие температуры сублимации и плавления. Учитывая, что высокое содержание алюминия и кремния способствует охрупчиванию и ухудшает технологическую пластичность
при обработке давлением, основным легирующим элементом в жаростойких сталях является хром.

Жаростойкие свойства растут с увеличением его содержания в стали. Сталь, содержащая 5 % Сr, сохраняет окалиностойкость до 600° С (15X5), 9 % (40Х9С2) − до 800° С, 17 % (08X17Т) − до 900° С. Хромистые марки сталей относятся к сталям ферритного класса. Для изготовления деталей печного оборудования применяют стали 20Х23Н18, 20Х25Н20С2, имеющие окалиностойкость до 1100° С. Эти марки относятся к аустенитному классу и характеризуются не только высокой жаростойкостью, но и высокой жаропрочностью. Хотя уровень жаростойкости стали и ее максимальная рабочая температура в основном определяются содержанием хрома, повышение температуры эксплуатации обусловливает одновременный рост концентрации никеля, что связано с необходимостью стабилизации аустенитной структуры.

Критерии жаропрочности

При длительной работе под нагрузкой, не превышающей предела текучести, и нагреве до температур около 0,4 – 0,5 (или более) от абсолютной температуры плавления металл испытывает медленную пластическую деформацию. Такая деформация называется ползучестью. В качестве температурного критерия удобно рассматривать не заданную абсолютную температуру Т, а ее отношение к абсолютной температуре плавления .

При деформации нагретого металла в нем развиваются два противоположных процесса: упрочнение за счет наклепа при пластической деформации и разупрочнение в результате рекристаллизации. Если второй процесс преобладает, то в металле начинает развиваться диффузионное разупрочнение − отдых, коагуляция фаз, рекристаллизация, способствующие ползучести. Жаропрочностью называется способность материала сопротивляться деформации и разрушению при высоких температурах. Основными критериями жаропрочности металлов является предел ползучести и предел длительной прочности.
Пределом длительной прочности называют напряжение, которое приводит к разрушению образца при заданной температуре за определенное время, соответствующее условиям эксплуатации изделий. Предел длительной прочности обозначают где индексы указывают температуру (° С) и время испытаний (ч). Пределом ползучести называют напряжение, вызывающее заданную суммарную деформацию за определенное время при заданной температуре. Предел ползучести обозначают  : где t – температура, º С; – суммарное удлинение, %; – время, ч. Для деталей, длительное время работающих при повышенных температурах, задается обычно скорость ползучести на установившейся стадии процесса, например

Срок службы, на который рассчитана машина или механизм, определяет выбор критерия жаропрочности и материала для их изготовления. В соответствии с некоторыми рекомендациями срок службы ряда жаропрочных конструкций в зависимости от назначения составляет (ч):

 

ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Химико-термическая обработка (ХТО) − это обработка, сочетающая термическое воздействие с химическим, в результате чего изменяются состав и структура и свойства в поверхностных слоях изделия. Во время выдержки в активной среде изделие диффузионно обогащается элементами из внешней среды. Различают химикотермическую обработку в твердой, жидкой и газовой средах. При ХТО одновременно протекают несколько процессов. Первый процесс – диссоциация. Образование в окружающей среде или отдельно взятом реакционном объеме диффундирующего элемента в атомарном (ионизированном) состоянии; насыщающая атмосфера должна обеспечить высокую концентрацию диффундирующего элемента на поверхности обрабатываемого изделия. Например,

При этом образуются активные атомы углерода и азота, способные растворяться в металле. Степень распада молекул газа (%) называется степенью диссоциации. Второй процесс – адсорбция. Происходит на границе газ-металл и состоит в поглощении (растворении) поверхностью свободных атомов. Этот процесс возможен только в том случае, если диффундирующий элемент способен растворяться в основном металле. Проникновение диффундирующего элемента вглубь изделия – диффузия. В результате образуется диффузионный слой, на поверхности которого концентрация диффундирующего элемента наибольшая и уменьшается от поверхности в глубь металла. Глубина проникновения будет представлять собой толщину диффузионного слоя.

Этот слой отличается от исходного металла по химическому составу, структуре и свойствам. При насыщении металла, например железа, различными элементами строение слоя подчиняется общему правилу, согласно которому диффузия вызывает образование однофазных слоев, соответствующих однофазным областям диаграммы фазового равновесия Fe-M (M – любой другой элемент), пересекаемым изотермой при температуре насыщения. Диффузионные слои образуются в той же последовательности, что и однофазные области на диаграмме состояний при данной температуре насыщения. При переходе от одной фазы к другой отмечается скачок концентрации, соответствующий ширине двухфазной области на диаграмме фазового равновесия.

Цементация

Цементацией (науглероживанием) называется химикотермическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в соответствующей среде – карбюризаторе. Цементации подвергают изделия из сталей, содержащих не более 0,25 % С. Среда, поставляющая углерод, называется карбюризатором. При цементации в твердом карбюризаторе изделия укладывают в ящики, куда засыпают древесный уголь с добавкой 20 % При нагреве образуется оксид углерода: Этот активный углерод поглощается аустенитом (как правило, цементацию проводят при температурах выше точки (930 – 950°С)) и диффундирует в глубь изделия. Глубина диффузионной зоны увеличивается по параболическому закону:

где D – коэффициент диффузии; τ – время насыщения; K – константа. Добавка интенсифицирует процесс цементации, поставляя дополнительное количество активного углерода: Для газовой цементации карбюризатором служит природный газ , получаемый в специальных генераторах с контролируемой атмосферой, а также керосин или бензин, каплями подаваемые в герметичное рабочее пространство печи, где они образуют газовую фазу. Основной поставщик углерода при газовой цементации – метан

Цементацию в твердом карбюризаторе используют в мелкосерийном производстве, а газовую цементацию – в массовом. Глубина диффузионной зоны при цементации составляет 0,5…2,0 мм. В зависимости от заданной глубины цементованного слоя время выдержки составляет при цементации от нескольких часов до нескольких десятков часов. За эффективную толщину цементованного слоя часто принимают сумму заэвтектоидной и половины переходной (доэвтектоидной) зон (до содержания 0,45 % С), что соответствует твердости 50 НRC. Цементация является промежуточной операцией, цель которой
обогащение поверхностного слоя углеродом (до 0,8…1,0 % С). Закалка после цементации благодаря образованию в поверхностном слое высокоуглеродистого мартенсита и придает этому слою высокую прочность и твердость. После закалки цементованных изделий проводят низкий отпуск. Для изделий ответственного назначения после цементации термическая обработка состоит из двойной закалки и отпуска.

Первую закалку (выше точки ) назначают для формирования структуры сердцевины, кроме того, при нагреве в поверхностном слое в аустените растворяется цементитная сетка, которая при последующем быстром охлаждении вновь не образуется. Вторую закалку проводят с нагревом 760 – 780° С для устранения перегрева цементованного слоя и придания ему высокой твердости. В результате термообработки поверхностный слой приобретает структуру мелкоигольчатого мартенсита и изолированных участков остаточного аустенита (до 30 – 50 %). Заключительной операцией термической обработки цементованных деталей во всех случаях является низкий отпуск при 160 – 180° С, переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит, снимающий напряжения.

Структура сердцевины изделия из углеродистой стали состоит из сорбита, а легированных сталей – из низкоуглеродистого мартенсита или бейнита.
Цементацию очень широко применяют в машиностроении для повышения твердости и износостойкости изделий (шестерен, зубчатых колес, валов и др.) с сохранением вязкости их сердцевины.

Азотирование

Азотированием называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом. Азотирование очень сильно повышает твердость поверхностного слоя, его износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар и др. Твердость азотированного слоя заметно выше, чем твердость цементованного, и сохраняется при нагреве до высоких температур (450 – 500° С), тогда как твердость цементованного слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется только до 200 – 225° С. Для азотирования используют аммиак, который поставляет атомарный азот

Азотирование проводят при температурах 500…580° С в течение 1…60 ч. Толщина азотированного слоя составляет 0,1…0,8 мм. Последовательность образования фаз при диффузионном насыщении соответствует последовательности их расположения на диаграмме состояния Fe-N (см. рис. 102). Например, при температуре азотирования 550° С сначала образуется α-фаза (азотистый феррит), затем γ′-фаза и, наконец, самый внешний слой (ε-фаза).

Азотированию подвергают среднеуглеродистые легированные стали, которые приобретают высокую твердость и износостойкость при азотировании (одновременное присутствие алюминия, хрома и молибдена позволяет повысить твердость азотированного слоя до 1200 НV – сталь 38Х2МЮА). Технологический процесс азотирования предусматривает проведение нескольких операций.

• Предварительная термическая обработка заготовки. Эта операция состоит из закалки и высокого отпуска стали для получения повышенной прочности и вязкости в сердцевине изделия. Структура стали после отпуска – сорбит отпуска.
• Механическая обработка деталей, а также шлифование, которое придает окончательные размеры детали.
• Защита участков, не подлежащих азотированию.
• Азотирование.
• Окончательное шлифование или доводка изделия.

Азотирование является длительным процессом и для его ускорения проводят двухступенчатый процесс: сначала азотирование проводят при 500 – 520° С, а затем при 540 – 560° C. Также существуют ионное азотирование, азотирование в жидких средах (тениферпроцесс) и азотирование в кипящем слое.

Цианирование

Цианированием называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при температуре 820 – 870° С в расплавленных солях в течение 2…10 ч, содержащих группу NaCN. По сравнению с газовой цементацией цианирование имеет следующие преимущества: ниже температура процесса и, следовательно, меньше рост аустенитного зерна, выше износостойкость и меньше коробление деталей. Цианирование позволяет выполнять закалку непосредственно из цианистой ванны. После закалки следует низкотемпературный отпуск (180 – 200° С). Твердость цианированного слоя после термической обработки 58 – 62 HRC. Недостатком процесса является ядовитость цианистых солей и необходимость в связи с этим принятия мер по охране труда.

Стали и сплавы с особыми магнитными свойствами

Магнитные стали и сплавы делятся на магнитотвердые и магнитомягкие.

Магнитотвердые сплавы и стали используют для изготовления постоянных магнитов. Они намагничиваются в сильных магнитных полях, а после снятия поля сохраняют свои магнитные свойства.

Постоянные магниты небольших размеров делают из углеродистых (У 10, У12) и легированных инструментальных (9ХС) сталей. Их подвергают закалка и низкому отпуску. Магнитные характеристики практически одинаковы, но легированные стали имеют большую прокаливаемость, из них можно изготавливать магниты больших размеров.

В настоящее время для изготовления постоянных магнитов широко используют стали с содержанием 1 % С, легированные хромом, вольфрамом, кобальтом или совместно несколькими элементами (ЕХЗ, ЕХ7В6, ЕХ5К5). Стали маркируются буквой «Е» — магнитная сталь, а далее так же, как известные конструкционные стали (например, средний состав стали ЕХ9К15М2 — 1 % С, 9 % Сг, 15 % Со, 2 % Мо).

Для получения высоких магнитных свойств стали подвергают термической обработке, состоящей из нормализации, закалки в масле или в воде и низкотемпературного отпуска (при 100 °С в течение 10…24 ч).

Стали являются дешевым материалом, однако их магнитные характеристики не высоки. Более высокие магнитные свойства имеют сплавы систем Fe — А1 — Ni — альни, Fe — А1 — Ni — Со — альнико (например, 8 % А1, 24 % Со, 14 % Ni, 3 % Си, Fe — остальное). Это дисперсионно-твердеющие сплавы. Сплавы подвергают сложной термической обработке. Заготовку, нагретую до 1300 °С, помещают между полюсами электромагнита напряженностью 160 А/м, в таком состоянии охлаждают до температуры 500 °С, затем на воздухе. Отпуск выполняют при 600 °С.

Сплавы имеют низкие технологические свойства — их невозможно обработать ни пластической деформацией, ни обработкой резанием, детали из них получают литьем.

Магнитомягкие сплавы и стали применяют для изготовления сердечников, магнитных устройств, работающих в переменных магнитных полях (поэтому они должны легко размагничиваться). В качестве магнитомягкого материала используют технически чистое железо. Его применяют для изготовления сердечников реле, электромагнитов постоянного тока, полюсов электрических машин и др.

Широкое применение в промышленности нашли низкоуглсродистые, легированные кремнием электротехнические стали (0,05…0,005 % С, 1,0… 4,8 % Si). Для устранения наклепа электротехническую сталь после прокатки подвергают отжигу при температуре 1100… 1200 °С в атмосфере водорода, так как даже незначительный наклеп сильно снижает магнитные свойства.

Стали маркируются буквой «Э» и четырьмя цифрами:

• первая цифра означает вид проката и структурное состояние (1 — горячекатаная, 2 — холоднокатаная изотропная, 3 — холоднокатаная анизотропная);
• вторая — содержание кремния: 0 — до 0,4 %; 1 — 0,4…0,8 %; 2 — 0,8… 1,8 %; 3 — 1,8…2,8 %; 4 — 2,8…3,8 %; 5 — 3,8…4,8 %;
• третья и четвертая — магнитные характеристики и их уровень (потери при персмагничивании при разных частотах тока, магнитную индукцию и магнитную проницаемость при разной напряженности магнитного поля).

Железоникелевые сплавы — пермаллои (от 40 до 80 % Ni) — имеют высокую магнитную проницаемость, что очень важно для приборов, работающих в слабых полях (радио, телефон, телеграф). Магнитные свойства пермаллоя сильно зависят от термической обработки. Для улучшения магнитных свойств после механической обработки пермаллои подвергают отжигу при температуре 1100… 1200 °С в вакууме или атмосфере водорода. Охлаждение после изотермической выдержки при отжиге в магнитном поле повышает магнитные свойства.

В электромашиностроении и приборостроении многие детали изготавливают из немагнитных сталей. Раньше для этой цели применяли цветные металлы, а теперь широко используют немагнитные аустенитные стали. Применение этих сталей резко снижает стоимость деталей, а также повышает механические свойства и уменьшает потери на вихревые токи в электроаппаратуре. Используют аустенитные стали с 10 % никеля (12Х18Н10, 12Х18Н10Т), а также более дешевые, в которых никель частично (сталь 55Г9Н9ХЗ) или полностью (45Г17ЮЗ) заменен марганцем.