Гинберг А.M. и др. Технология важнейших отраслей промышленности
Подождите немного. Документ загружается.
201
Разность температур Т
S
- T
Ф
= AT называется степенью переохлаждения.
Таким образом, фазовое превращение — это скачкообразный переход металла
(сплава) из одной (фазы в другую под воздействием внешних факторов
(температуры, давления) с изменением его свойств. Фазовые превращения
могут проходить и в твердых металлах при изменении температуры.
В производстве различных изделий детали (заготовки) из чистых металлов
применяются очень редко. Это объясняется трудностью получения абсолютно
чистых металлов и их низкими механическими свойствами. Например, в чистом
железе, получаемом современной технологией, содержание примесей не
превышает 0,01%; оно практически не используется.
В электротехническом производстве для изготовления электромагнитов,
якорей электрических машин используют технически чистое железо,
содержание примесей в котором находится в пределах 0,1 — 0,2%.
В преобладающем большинстве случаев для изготовления деталей изделий
применяют сплавы. Сплав может представлять собой химическое соединение,
твердый раствор, механическую смесь или их совокупность.
Химические соединения (интерметаллиды) наиболее характерны для
элементов, относящихся к разным периодам и подгруппам периодической
системы Д. И. Менделеева (например, золото — цинк, магний — свинец).
Твердые растворы — это твердые фазы, включающие в различных
соотношениях атомы разных элементов в одной кристаллической решетке.
Механические смеси образуют вещества, не вступающие в химические
соединения, не способные образовать твердые растворы.
Для получения сплава с требуемыми свойствами подбирают необходимые
компоненты в различных соотношениях. Свойства сплава могут изменяться от
внешних факторов (температуры, давления и др.). Состояния сплавов в
зависимости от температуры и соотношения компонентов иллюстрируются
диаграммой состояния сплава.
Следует отметить, что при изменении внешних факторов, например
температуры, отдельные металлы (железо, кобальт и др.) могут приобретать
новые свойства и структуру. Существование вещества с различными
кристаллическими структурами и физическими свойствами называется
аллотропией.
Аллотропические формы обозначают буквами греческого
алфавита: α, β, γ, ...
202
Простейшая диаграмма состояния для железа — кривая охлаждения
показана на рис. 16.3.
Наиболее сложной является диаграмма состояния сплава железо — углерод,
упрощенный вид которой представлен на рис. 16.4. Оба элемента (железо и
углерод) обладают способностью к аллотропии. Поэтому они могут
образовывать химические соединения и твердые растворы, в которых даже
незначительное изменение содержания углерода ведет к изменению структуры
и свойств сплава.
Сплавы железо — углерод в зависимости от содержания углерода делятся
на стали (содержание углерода до 2,14%) и чугуны (содержание углерода более
2,14%). Предельное содержание углерода в сплаве 6,67 %.
Линии диаграммы
ACD и AECF соответствуют фазовым превращениям.
Сплавы железо — углерод, расположенные выше линии ACD, называемой
линией ликвидуса, находятся в жидком состоянии. Линия AECF называется
линией солидуса
. Ниже линии солидуса сплавы любой концентрации
находятся в твердом состоянии. Между линиями ликвидуса и солидуса сплавы
имеют жидкотвердое (двухфазное) состояние.
При охлаждении жидкого сплава ниже линии AC в нем образуются
кристаллы аустенита — твердого раствора углерода в железе (его
аллотропической формы γ-железа). Твердый раствор углерода в α-железе
называется ферритом; область чистого феррита незначитeльна (на диаграмме
не показана).
Охлаждение сплава (с высоким содержанием углерода) ниже линии CD
связано с образованием цементита (первичного), т. е. устойчивого химического
соединения
железа с углеродом Fe
3
C (карбида железа).
203
При дальнейшем понижении температуры аустенит претерпевает
вторичную кристаллизацию, сопровождающуюся изменением формы
кристаллической решетки и растворимости углерода. В низкоуглеродистых
сплавах из аустенита выделяется феррит (ниже линии GS), в сплавах с более
высоким содержанием yглерода — цементит вторичный (ниже линии SE)
У низкоуглеродистых сплавов (до 0,8% С) непрерывно возрастающее
количество феррита, вызванное понижением температуры, ведет к выделению
углерода и насыщению им оставшегося аустенита. При 727°C насыщенный
аустенит превращается в перлит — эвтектоидную смесь цементита и феррита.
Структура таких сплавов после охлаждения будет состоять из феррита и
перлита.
При охлаждении сплавов, содержащих углерода более 0,8% (до 2,14%),
аустенитные зерна непрерывно растут за счет цементитной сетки и обедняются
углеродом. При температуре 727°С аустенит превращается в перлит, а
структура охлажденного сплава будет включать перлит и цементит
(вторичный).
Сплав, содержащий 0,8% С, называют эвтектоидной сталью; менее 0,8% -
доэвтектоидной, а более 0,8 — заэвтектоидной. Структура эвтектоидной стали
— перлит.
Чугуны по содержанию углерода делятся на доэвтектические (2,14-4,3% С),
эвтектические (4,3% С), заэвтектические (4,3-6,67% С).
Доэвтектический чугун начинает кристаллизоваться при температурах ниже
линии АС. С понижением температуры содержание аустенита увеличивается, а
жидкая фаза обогащается углеродом. При 1147°C происходит эвтектическое
превращение чугуна с образованием ледебурита (эвтектики — механической
смеси аустенита и цементита). Наличие ледебурита в структуре характерно для
всех видов чугуна.
Часть диаграммы состояния сплава железо — углерод, относящаяся к
сталям,
имеет огромное значение при выборе режимов термической обработки
для получения но- вой структуры и свойств сталей.
§ 16.2. Методы определения качества металла (сплава)
Металлы и сплавы, применяемые в качестве конструкционных
материалов, подвергаются различным механическим испытаниям. Наиболее
распространены испытания на прочность и твердость.
Прочность — сопротивление разрушению под действием внешних сил
определяют при статических испытаниях на растяжение. С этой целью из
испытуемого матe- риала изготовляют круглые (иногда плоские) образцы
определенного диаметра и длины. В процессе испытания на образец дается
нагрузка, которая плавно возрастает, и материал образца растягивается.
204
где Р
max
— наибольшая нагрузка, которую выдерживает образец до
разрушения; А — начальная площадь поперечного сечения образца. В
нормативах (справочниках) приводятся предельные значения временного
сопротивления на разрыв различных материалов, которые они выдерживают
без разрушения или повреждения.
Как указывалось, длина образца при испытаниях на растяжение благодаря
пластичности металла увеличивается до величины l
К
.
Отношение l
К
/l
0
= δ называют относительным удлинением (%), по
которому оценивается пластичность при растяжении материала, где l
v
—
начальная (расчетная) длина образца.
Показателем пластичности является также относительное укорочение (при
сжатии) материала
где h
0
и h
к
— начальная и конечная высоты образца. Величины ∂ и ∆
характеризуют статическую вязкость металлических материалов. Одним из
свойств металлов является их способность сопротивляться ударным
(циклическим) нагрузкам, что характеризует их ударную вязкость, которую
определяют на маятниковых копрах.
Сопротивление металла знакопеременным нагрузкам (усталостному
разрушению) выявляется на специальных стендах, имитирующих
знакопеременную нагрузку. Многие детали паровых и газовых турбин,
реактивных двигающей и других изделий работают при таких высоких
температурax, которые вызывают в ряде металлов и сплавов ползучесть. И
этих случаях нужно выбирать стойкий против ползучести.
Твердостью вещества называют его способность сопротивляться
вдавливанию в него другого, более твердого тела.
Твердость измеряют по трем шкалам: Бринелля HB (вдавливанием в образец
стального, закаленного шарика); Роквелла HГC, HГA (алмазным конусом при
различных нагрузках) и MГB (стальным закаленным шариком); Виккерса HV
(алмазной пирамидой). Существуют и другие методы измерения твердости.
Кроме механических свойств металлы и сплавы обладают рядом
технологических свойств, к которым относятся жидкотекучесть,
обрабатываемость методами пластической деформации (ковкой, штамповкой и
др.), что зависит от пластичности, вязкости материала, способность принимать
термическую обработку, обрабатываемость посредством резания,
свариваемость и т. д.
205
Повышение механических и технологических свойств сплавов металлов
можно осуществлять введением в них особых легирующих компонентов, а
также термической и химико-термической обработкой.
§ 16.3. Термическая и химико-термическая обработка
Термической обработкой деталей из металлов и сплавов называется
тепловое воздействие с целью придания им необходимых свойств. Тепловое
воздействие может сочетаться одновременно с химическим воздействием.
Такие процессы относятся к химико-термическим.
Различают следующие виды термической обработки: отжиг, закалку, отпуск
и старение.
Отжиг бывает 1-го и 2-го рода. Сущность отжига 1-го рода заключается в
нагреве заготовок выше температуры фазового превращения с последующим
медленным охлаждением (иногда вместе с печью). Различают следующие
разновидности отжига 1-го рода:
гомогенизационный, применяемый для выравнивания структуры, особенно
крупных стальных отливок, поковок,
рекристаллизационный, устраняющий изменения структуры, возникающие,
в частности, в процессе обработки металлов давлением, при котором они
получают наклеп, сопровождаемый заметным повышением твердости и
снижением пластичности;
отжиг, снимающий или уменьшающий остаточные внутренние напряжения,
возникающие при различных технологических операциях (холодной обработке
давлением, сварке и др.).
С помощью отжига 2-го рода, или полного отжига, изменяют структуру
сплава и устраняют внутренние напряжения. Заготовки нагревают до
температуры, превышающей на 30—50°C температуру фазового превращения,
и медленно охлаждают вместе с печью. Такой процесс термообработки
проводят после штамповки, отливки заготовок, а также после черновой
механической обработки с целью понижения твердости.
Разновидностью отжига 2-го рода является нормализация, при которой
заготовки охлаждают на воздухе. В отдельных случаях нормализация улучшает
обрабатываемость материалов резанием (например, очень вязких сталей),
вызывая некоторое повышение механической прочности.
Закалка — это процесс, осуществляемый для повышения твердости и
прочности материала. При закалке заготовки (наиболее часто стальные)
нагревают выше температуры превращения и быстро охлаждают в воде,
минеральном масле, растворах солей или в расплав- лепных солях (270 —
290°С). Тип охлаждающей среды определяет скорость охлаждения, которая
влияет на получение той или иной структуры.
Большинство конструкционных сталей нагревают при закалке до
температуры 850 - 900°C, а охлаждают в воде, масле или соляных растворах.
206
Охлаждение в расплавленных солях применяют для высоколегированных
сталей, например для инструментальных, быстрорежущих сталей, содержащих
большое количество лeгирующих элементов (вольфрама, хрома и др.).
В зависимости от температуры нагрева различают закалку полную и
неполную. При полной закалке углеродистых сталей (при нагреве выше линии
GSE
, см. рис. 16.4) в холодной воде получают структуру мартенсита с
некоторым количеством аустенита. Мартенсит — это пересыщенный твердый
раствор внедрения углерода в α-железо, имеющий весьма высокую твердость и
боль- тую хрупкость. Если охлаждение стали вести менее интенсивно, то
можно получить менее твердые и напряженные структуры мартенсита или
сорбита закалки. Для уменьшения хрупкости и внутренних напряжений, вы-
званных закалкой стали, т. е. получения необходимых механических свойств,
стали подвергают отпуску.
При необходимости получить высокую твердость лишь поверхностного
стоя применяют поверхностную закалку заготовок, нагревая их токами высокой
частоты с последующим быстрым охлаждением окунанием в жидкость или на
дождевальной установке.
Отпуск — нагрев закаленных заготовок до температур, лежащих ниже
температуры фазового превращения, и охлаждение их на воздухе. Повышая
температуру отпуска, можно повысить пластичность и вязкость материала при
одновременном понижении твердости и прочности. Отпуск при высоких
температурах нагрева называют улучшением.
Различают низкий, средний и высокий отпуск. Низкий
отпуск, т. е. нагрев
стали до небольшой температуры (150—200°С, ведет к понижению остаточных
внутренних напряжений при сохранении ее высокой твердости и
износостойкости. Средний отпуск, сохраняя повышенную твердость (HГC40—
45), обеспечивает достаточную прочность, упругость и выносливость. Его часто
применяют при изготовлении пружин и рессор.
При высоком отпуске получают достаточно высокий предел упругости при
достаточной ударной вязкости и твердости (HГC30— 40). В результате
высокого отпуска получают структуру, которая необходима для деталей машин,
подвергающихся действию высоких напряжений и ударным переменным
нагрузкам (для шатунов, болтов, кулачков и др.).
При всех процессах получения заготовок деталей их материал приходит в
напряженное состояние, характеризуемое определенным уровнем внутренних
напряжений. Поэтому перед началом механической обработки или перед
окончательными операциями технологического процесса механической
обработки часто проводят старение, которое ускоряет релаксацию внутренних
напряжений.
Различают естественное старение — длительное выдерживание деталей на
складах, заводских дворах при воздействии на них непрерывно изменяющихся
атмосферных факторов (температуры, влажности и т. д.), а также искусственное
207
старение с нагревом заготовок в печах до температуры 100—150°C и
охлаждением вместе с печью.
Для ряда изделии из закаленных легированных (в том числе
инструментальных) сталей назначают термическую обработку при
отрицательных температурах (-60... -70°С и ниже), получившую название
«обработки холодом». В этом случае материал получает стабильную структуру
и размеры и одновременно некоторое повышение твердости, износостойкости.
В качестве охлаждающей среды часто используется твердая углекислота
(«сухой лед»). Обработка холодом выполняется непосредственно после
закалки, перед отпуском.
За последние годы на ряде производств получила распространение
термохимическая обработка как комбинированный метод, соединяющий
закалку легированных сталей с одновременным механическим
деформированием их. После термохимической обработки материал получает
повышенную пластичность, прочность и ударную вязкость.
Теория термической обработки металлов и сплавов была развита в
основном в XX в. благодаря исследованиям А. А. Бочвара, Г Я. Курдюмова, Н.
А. Мицкевича, В. Д. Садовского и других советских ученых.
Химико-термическая обработка
Химико-термическая обработка — тепловая обработка металлов в
различных химически активных средах с целью изменения химического состава
и структуры поверхностного слоя металла, повышающих его свойства
(твердость, износостойкость).
В зависимости от элемента, насыщающего поверхность заготовки,
различают следующие виды химико- термической обработки: цементацию,
азотирование, цианирование, диффузионную металлизацию.
Цементацией называется процесс насыщения углеродом поверхностною
слоя заготовок из низкоуглеродистой (до 0,3% С) стали для создания в них
после термической обработки твердой поверхности при достаточной вязкости
сердцевины. Различают цементацию в твердом карбюризаторе (древесном угле
с добавками различных углекислых солей), жидкую и газовую.
Поверхности заготовок, не подлежащие цементации, защищают
омеднением. т. е. нанесением тонкого слоя меди и другими способами.
Азотирование - процесс диффузионного насыщения азотом поверхностного
слоя заготовок, изготовленных из локированных сталей и чугуна. Такие
легирующие элементы как алюминий, хром, молибден, ванадий, а также
железо, при азотировании образуют с азотом твердые и стойкие химические
соединения — нитриды.
При высоких требованиях к механическим свойствам сердцевины деталей
их заготовки подвергают перед азотированием закалке с высоким отпуском.
208
Азотирование протекает при более низкой температуре, нежели цементация,
что является его преимуществом. Азотированная поверхность имеет более
высокую твердость, износостойкость и коррозионную стойкость, которые
сохраняются практически неизменными при повторных (нагревах вплоть до 500
—600°C.
Азотирование назначают как последнюю операцию при изготовлении
деталей, так как после этого процесса они сохраняют светлую чистую
поверхность, не требующую дополнительной обработки.
Цианирование заключается в одновременном насыщении поверхностей
заготовок стальных деталей азотом и углеродом. Процесс цианирования может
выполняться в жидкой и газовой среде. В зависимости от температуры
цианирование подразделяется на низкотемпературное (530—650°С) и
высокотемпературное (800—930°С). При цианировании используются
ядовитые вещества, что требует особой осторожности при его выполнении и
строгого соблюдения правил техники безопасности.
Жидкостное цианирование осуществляется в ваннах, содержащих
цианистые и нейтральные соли. Скорость разложения этих солей увеличивается
с повышением температуры; одновременно возрастает скорость диффузии
углерода и тормозится насыщение поверхности азотом. При температуре,
равной примерно 900°С, поверхности незначительно насыщаются азотом и
цианирование практически превращается в процесс цементации.
Низкотемпературное цианирование незначительно отличается от азотирования.
После цианирования детали подвергают термической обработке.
Газовое цианирование, или нитроцементация, выполняется в газовой среде,
состоящей из цементирующего и нитрирующею газов. При
высокотемпературной нитроцементации глубина планированного слоя может
достичь 1,8 мм при длительности процесса 6 — 7 ч.
Диффузионная металлизация— это процесс насыщения поверхностного
слоя заготовок различными химическими элементами (алюминием, хромом,
кремнием, бором и др.) при совместном их нагревании и выдержке. В
зависимости от используемого элемента процессы
металлизации получили
названия: алитирование, хромирование, силицирование, борирование и т. д.
Кроме того, применяют комплексную металлизацию в
печах-ваннах при 800—
1300°С
(например, хромоннкелирование, хромоалитирование и др.).
Диффузионная металлизация может выполняться в твердых, жидких и
газообразных средах. Этот процесс обеспечивает повышение твердости,
коррозионной стойкости, жаростойкости и износостойкости поверхностей
деталей.
Основным недостатком диффузионной металлизации является малая
глубина металлизированного слоя (0,2 — 0,4 мм) при относительно большой
длительности процесса.
209
§ 16.4. Черные металлы и сплавы
К черным металлам относят железо и его сплавы — стали и чугуны,
которые имеют наибольшее применение в народном хозяйстве.
Стали, выпускаемые металлургической промышленностью СССР,
классифицируют по химическому составу, структуре, методам выплавки,
назначению и качеству.
Наиболее важным признаком классификации сталей, позволяющим
правильно выбрать ту или иную сталь для изготовления определенных деталей
машин, приборов и других изделий, является их химический состав.
По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные.
В состав сталей входит небольшое количество серы, фосфора, мaрганца и
кремния, а также случайных примесей (например, меди, хрома). Наличие
примесей зависит непосредственно от технологического процесса получения
сталей. Сера и фосфор отрицательно влияют на качество стали. С повышением
содержания серы увеличивается красноломкость стали, т. е. хрупкость при
температуре свыше 800
°
C: фосфор повышает ее хладноломкость — хрупкость
при нормальных температурах. Обычно в сталях сера и фосфор содержатся по
0,03—0,05% и менее.
Марганец и кремний при оптимальных их количествах положительно
влияют на качество стали.
Углеродистые стали по количеству содержащегося в них углерода делятся
на низкоуглеродистые (до 0,3%). среднеуглеродистые (0.3 — 0.6 %) и
высокоуглеродистые (более 0,6%).
Стали получают кислородно-конвертерным, мартеновским и
электросталеплавильным процессами.
По качеству (содержанию серы и фосфора) углеродистые конструкционные
стали подразделяются на стали обыкновенного качества, качественные и
высококачественные. По характеру застывания в изложнице стали
подразделяются также на спокойные, полуспокойные и кипящие.
По назначению стали делятся на конструкционные (низко- и
среднеуглеродистые), инструментальные и специальные.
Углеродистые конструкционные стали. Углеродистые конструкционные
стали обыкновенного качества (ГОСТ 380—71) выпускают в виде прутков,
тонких листов, проката фасонного профиля.
В зависимости от назначения сталь подразделяют на три группы: А, Б, В.
Кроме того, стали каждой группы подразделяют па категории: 1, 2, 3 и т. д.
По группам А и Б стали выпускаются семи марок, а по группе В — пяти
марок. Существуют следующие марки сталей:
• группа А - Ст0, Cт 1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6;
• группа Б - БСт0, БСт1, БСт2, БСг3, БСт4, БСт5, БСт6;
210
• группа В - BCт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5.
Во всех сталях грyпп Б и В, которые поставляются по химическому составу,
регламентируется содержание углерода в пределах 0,06—0,49 %, марганца -
0,25 — 1,20 %, серы и фосфора — 0,04—0,07%.
В производстве часто применяют также специальные низкоуглеродистые
автоматные стали, обладающие улучшенными свойствами обрабатываемости
резанием.
Сталь углеродистая качественная конструкционная (ГОСТ 1050-74) по
видам обработки делится на горячекатаную и кованую, калиброванную, а также
круглую со специальной отделкой поверхности — серебрянку.
Углеродистая качественная конструкционная сталь выпускается без
термической обработки, термически обработанная (обозначается Т) и
нагартованная (H) — для калиброванной стали и серебрянки.
В зависимости от назначения сталь делится на подгруппы — для горячей
обработки, механической обработки и холодного волочения.
Углеродистые качественные конструкционные стали выпускаются многих
марок. Например, марок 10, 20, 25, ...,85. в которых содержание углерода (в
среднем) 0,1; 0,2; 0,25; 0,85 % (цифры в маркировке указывают на содержание
углерода. Для определения количества углерода нужно цифру в маркировке
разделить на 100).
Легированные конструкционные стали. Легированными сталями
называются те, в которые вводятся легирующие химические элементы для
получения заданных свойств: вольфрам, никель, хром, молибден, ванадий и др.
По преобладающему легирующему элементу в стали они получают
соответствующее название: хромистые, хромоникелевые и т. д.
Различают низколегированные, среднелегированные и высоколегированные
стали, в которых количество легирующих элементов соответственно: до 2,5; от
2.5 до 10; свыше 10%.
Среди легированных конструкционных сталей следует выделить
шарикоподшипниковые стали ШX15 и др., которые могут работать при
больших нагрузках и трении. Они находят широкое применение в
шарикоподшипниковой промышленности для изготовления колец, шариков,
роликоподшипников.
Легирующие химические элементы в марках стали обозначаются
следующими буквами: В — вольфрам, H — никель, X — хром, M — молибден,
К — кобальт, Г — марганец, С — кремний, Ю — алюминий и т. д. Цифры,
стоящие перед буквенным обозначением, указывают среднее или максимальное
(при отсутствии нижнего предела) содержание углерода в стали в сотых долях
процента, а цифры, стоящие после букв,— содержание легирующего элемента в
целых единицах, Например: сталь 30X13 содержит 0,3% углерода и 13% хрома.