Колесник П.А., Кланица В.С. Материаловедение на автомобильном транспорте

Подождите немного. Документ загружается.

детали из низкоуглеродистых сталей. С целью уменьшения воз

можных деформаций увеличивают время нагрева для деталей, бо

лее сложных по конфигурации и имеющих большую массу.

Нагрев осуществляют в нагревательных термических печах и

печах-ваннах, подогреваемых электрической энергией или сгора

ющими газом, мазутом, углем.

Средой, в которой нагревают детали, могут быть: в печах —

воздух, продукты сгорания топлива, нейтральный газ; в печах-

ваннах — минеральные масла, расплавленные соли или металлы.

Наибольшая скорость нагрева и наименьшее окисление деталей

обеспечиваются при нагреве в печах-ваннах, наполненных рас

плавленными металлом или солями.

Закаливаемость стали, т. е. ее способность приобретать мак

симально высокую твердость после закалки, возрастает с уве

личением содержания углерода. Углеродистые стали, содержащие

менее 0,3 % углерода, не закаляются.

Прокаливаемость, т. е. глубина закаленного слоя или, другими

словами, глубина проникновения мартенсита, зависит от хими

ческого состава, размеров деталей и условий охлаждения. Легиру

ющие элементы, а также увеличение содержания углерода (до

0,8 %) в стали способствуют увеличению ее прокаливаемости.

В зависимости от характера охлаждения, формы деталей, под

вергаемых закалке, а также от содержания углерода в стали при

меняют следующие разновидности закалки: закалка в одной среде,

в двух средах, ступенчатая закалка, изотермическая закалка, за

калка с самоотпуском, поверхностная закалка.

Закалка в одной среде (рис. 2.5, кривая 1) широко используется

для деталей простой формы и состоит в том, что после нагрева

деталей до температуры закалки и небольшой выдержки их помеща

ют в охлаждающую среду (воду, масло и др.), в которой оставляют

до полного охлаждения. Недостатком этого вида закалки является

возникновение больших внутренних напряжений из-за нерав

номерного охлаждения по сечению, которые могут привести к

образованию трещин в деталях сложной формы. Поэтому при

менение закалки в одной среде допустимо для простых деталей

из доэвтектоидных сталей.

Закалка в двух средах (рис. 2.5, кривая 2) применяется для ин

струментов из высокоуглеродистых сталей. Этот режим закалки

включает в себя нагрев изделия, небольшую выдержку при тем

пературе нагрева, затем быстрое охлаждение в воде до температу

ры 300... 400 °С и дальнейшее охлаждение в масле. Этот прием спо

собствует снижению внутренних напряжений при мартенситном

превращении.

Ступенчатая закалка (рис. 2.5, кривая 3) отличается от обыч

ной проведением начальной стадии быстрого охлаждения детали

в расплавленной соли. Температура соляной ванны несколько выше

температуры начала образова

ния мартенсита. После выдерж

ки детали при данной темпера

туре, обеспечивающей выравни

вание температур по всему ее

сечению, деталь вынимают из

соляной ванны и окончательное

охлаждение ведут на воздухе.

Этот способ закалки применим

только для мелких деталей, так

как для крупных деталей горя

чая среда не может обеспечить

большую скорость закалки, и

твердость их получается пони

женной.

Рис. 2.5. Температурные режимы

разных способов закалки:

Изотермическая закалка

(рис. 2.5, Кривая 4) проводится 1, 2, 3, 4 — режимы закалки; Ас,

при температуре соляной ван

ны. В результате сталь приобретает структуру бейнита1 с сохране

нием необходимой пластичности. Изотермическая закалка широ

ко применяется для деталей, склонных к короблению и образова

нию трещин.

Закалка с самоотпуском применяется для таких инструмен

тов, как зубила, кувалды и т.д. Суть ее состоит в том, что деталь

выдерживают в охлаждающей среде не до конца закалки, а извле

кают раньше с целью использования теплоты сердцевины или

нерабочей части детали. За счет этой теплоты происходит отпуск и

достигается неравномерное распределение твердости по поверх

ности детали. К рабочей части детали твердость возрастает.

Поверхностная закалка проводится способом нагрева токами

высокой частоты. Этот метод был предложен в 1935 г. профессо

ром В. П. Вологдиным для закалки автомобильных деталей.

Суть метода в том, что деталь 1 (рис. 2.6) помещают в индуктор 2,

через который пропускают ток высокой частоты от машинного или

лампового генератора. При этом вокруг индуктора возникает пере

менное магнитное поле, возбуждающее по закону электромагнит

ной индукции вихревые токи в детали, за счет которых и происхо

дит нагревание ее поверхностного слоя до температуры закалки.

Изменяя частоту тока в индукторе, можно менять глубину на

грева и соответственно толщину закаленного слоя. По окончании

1 Бейнит — структура стали, образующаяся в результате так называемого

Промежуточного превращения аустенита. Бейнит состоит из смеси частиц пере

насыщенного углеродом феррита и карбида железа.

так же, как и ступенчатая, но с

более длительной выдержкой

Ас3 — критические точки температур

нагрева

Рис. 2.6. Проведение поверхностной закалки:

а, б, в — этапы процесса закалки; 1 — деталь; 2 — индуктор; 3 — охлаждающее

устройство

нагрева деталь охлаждают водой в охлаждающем устройстве 3. Весь

процесс закалки занимает несколько секунд и потому является

очень производительным. Кроме того, следует отметить отсутствие

такого нежелательного явления, как образование окалины на по

верхности деталей, и отсутствие их деформации. При этом твер

дость и ударная вязкость закаленных слоев выше, чем при печном

нагреве. Ввиду высокой стоимости оборудования этот способ при

меняется только в условиях массового производства.

Отпуск представляет собой заключительную операцию терми

ческой обработки стали после закалки. Отпуск выполняют для ста

билизации структуры стали, снижения внутренних напряжений,

уменьшения хрупкости закаленной стали, повышения ее вязкос

ти и пластичности и некоторого снижения твердости.

При отпуске закаленные детали нагревают ниже температуры

критической точки Аси выдерживают при этой температуре необ

ходимое время и затем охлаждают, обычно на воздухе. В результа

те этого неравновесная закалочная структура мартенсита в зави

симости от температуры отпуска переходит в более равновесное

состояние — мартенсит отпуска, троостит и сорбит отпуска. Соот

ветственно различают отпуск низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск проводится при температурах 150... 250 °С для

инструментальных сталей, а также для деталей, подвергнутых по

верхностной закалке, цементации. Такой отпуск снимает внутрен

ние напряжения, не влияя на механические свойства сталей.

Образовавшаяся структура называется «мартенситом отпуска», т. е.

это структура мартенсита с меньшим искажением кристалличе

ской решетки.

Средний отпуск осуществляется при нагреве деталей до темпе

ратур 350... 500 °С для образования высокодисперсной смеси фер-

рита и цементита, называемой «трооститом отпуска». Троостит от

пуска обладает очень хорошими упругими свойствами, поэтому

средний отпуск применяется при термической обработке пружин,

рессор, штампов и ударного инструмента.

Высокий отпуск проводят в интервале температур 500...650 °С.

При этих температурах в стали образуется структура сорбита от

пуска, которая обеспечивает наилучшие соотношения прочности

и вязкости для качественных конструкционных сталей. Такой от

пуск применяется для термической обработки шатунов, шатун

ных болтов, крестовин карданных шарниров и т.д.

Термомеханическая обработка стали представляет собой про

цесс улучшения механических свойств стали путем ее пластической

деформации и термической обработки. Пластическое деформирова

ние осуществляют прокаткой, ковкой, штамповкой и другими спо

собами обработки давлением. Механические свойства сталей пос

ле термомеханической обработки улучшаются. Это объясняется тем,

что аустенит в результате деформации претерпевает изменения,

которые наследуются мартенситом при закалке и сохраняются при

отпуске на заданную прочность.

Термическая обработка сплавов в производственных условиях

сопряжена с появлением ряда дефектов. Так, при отжиге и нор

мализации возможны окисление, обезуглероживание, перегрев,

недогрев и пережог металла. Окисление происходит при нагреве

деталей в пламенных печах в среде печных газов и сопровождается

образованием окалины. Окалинообразование возрастает при более

высокой температуре и большем времени выдержки.

Возможно также обезуглероживание поверхности деталей, ко

торое приводит к снижению их прочностных свойств. Избежать

этого можно путем подачи в рабочее пространство печи безокис-

лительных газов.

Окисление и обезуглероживание устраняется нагревом в среде

нейтральных газов (азот, аргон) и соблюдением установленного

режима термообработки.

При нагреве стали выше необходимых температур и длитель

ной выдержке при них наблюдается перегрев, он приводит к круп

нокристаллической структуре, т.е. к ухудшению механических

свойств, и к трещинам при закалке. Недогрев также не позволяет

обеспечить заданные механические свойства. Такой дефект, как

пережог, имеет место при длительной выдержке деталей в печи

при температуре, близкой к температуре плавления. Границы зе

рен окисляются кислородом, вследствие чего механическая связь

между зернами ослабевает, и это приводит к неисправимому браку.

При закалке возможны также образование трещин, деформа

ция и коробление деталей, окисление и обезуглероживание, мяг

кие пятна, низкая твердость, перегрев, недогрев. Трещины появ

ляются при больших внутренних напряжениях, возникающих при

перегреве и большой скорости охлаждения в деталях, имеющих

резкие переходы поверхностей, острые углы, тонкие стенки и т.д.

Деформация и коробление могут происходить в результате нерав

номерных структурных превращений, вызывающих внутренние

напряжения при нагреве и охлаждении, а также из-за неравно

мерного нагрева и охлаждения. Мягкие пятна, т. е. участки на

поверхности деталей с пониженной твердостью, появляются в

местах, где имелись окалина, загрязнение, обезуглероживание. Низ

кая твердость возможна при недостаточных скорости охлажде

ния, температуре нагрева и малой выдержке перед закалкой.

2.2. Химико-термическая обработка

Процесс химико-термической обработки стали применяется с

целью изменения химического состава, структуры и свойств по

верхностного слоя стали, влияющих на износостойкость трущих

ся поверхностей, стойкость их против коррозии или жаростой

кость при сохранении достаточной вязкости сердцевины. Общим

недостатком методов химико-термической обработки является

большая продолжительность процесса, составляющая от несколь

ких часов до десятков часов.

Химико-термическая обработка основана на высокотемпера

турной диффузии, т. е. на обеспечении проникновения с поверх

ности детали внутрь ее атомов различных элементов при высокой

температуре. Процесс в целом является результатом протекания

следующих трех элементарных процессов:

• диссоциация — распад молекул и образование активных ато

мов диффундирующего элемента;

• адсорбция — поглощение поверхностью металла свободных

атомов диффундирующего элемента (процесс происходит на гра

нице металла).

• диффузия — проникновение насыщаемого элемента в глубь

металла и образование диффузионного слоя. В диффузионном слое

формируется в результате такой обработки твердый раствор или

химическое соединение с разной концентрацией диффундирую

щего элемента по мере удаления от поверхности металла.

В зависимости оттого, каким элементом насыщают поверхност

ный слой, различают следующие, наиболее часто применяемые

для автомобильных деталей виды химико-термической обработ

ки: цементация, азотирование, цианирование и диффузионная

металлизация.

Цементация представляет собой процесс поверхностного насы

щения изделий из стали углеродом при нагреве в среде углеродсо

держащих газов (газовая цементация) или в твердом карбюри

заторе (твердая цементация).

В результате у деталей образуется поверхностный цементиро

ванный слой толщиной 0,5...2,5 мм с повышенным содержанием

углерода, благодаря чему они приобретают высокие поверхност

ные твердость и износостойкость при мягкой и вязкой сердцевине.

У таких деталей повышается также усталостная прочность. Однако

твердость цементированного слоя заметно снижается при нагреве

уже до 200... 250 °С.

После цементации детали подвергают закалке и низкому от

пуску. В итоге структура поверхностных слоев цементированных

деталей состоит из мартенсита и цементита, а внутренних слоев —

из смеси феррита и перлита или феррита и сорбита.

Цементации подвергают шестерни коробок передач и задних

мостов.

Газовая цементация является основным видом цементации. Она

осуществляется в герметичных нагревательных печах в течение

6... 12 ч при температуре 930...950°С, куда непрерывно подается

чаще всего эндотермический газ (эндогаз) и метан. В результате

диссоциации последних образуется атомарный углерод, проника

ющий (диффундирующий) в поверхностный слой детали. Кон

центрацию атомарного углерода можно строго регулировать.

Твердая цементация происходит в нагревательных печах в гер

метичных стальных ящиках, заполненных смесью карбюризатора

(древесного активированного угля) и ускорителей процесса (глав

ным образом карбонатов). Детали, помещенные в эти ящики,

выдерживают при температуре 910... 930 °С. Образующийся моно

оксид углерода (СО) неустойчив при температурах процесса и

разлагается с образованием диоксида углерода (С02) и атомарно

го углерода, который диффундирует в глубь деталей и хорошо

усваивается в их поверхностных слоях.

Азотирование стали — это процесс диффузионного насыще

ния атомарным азотом в атмосфере аммиака поверхностного слоя

(толщиной 0,2...0,6 мм) среднеуглеродистых сталей, содержащих

легирующие элементы, при температуре 500...700°С в герметич

ной печи. В процессе диффузии в поверхностном слое металла ато

марного азота, который образуется при диссоциации аммиака по

реакции NH3 -» ЗН + N, он (азот) растворяется в феррите (образу

ется азотистый феррит), а также взаимодействует с легирующими

элементами, образуя нитриды AIN, VN, Cr2N, WN и др. Таким

образом обеспечиваются высокие износостойкость, усталостная

прочность и повышенное сопротивление коррозии стальных дета

лей. В отличие от цементированного слоя твердость азотированного

слоя не снижается при нагреве до 600 °С. Ввиду низкой твердости

после азотирования углеродистые стали подвергаются азотированию

только с целью повышения противокоррозионной стойкости.

Нитроцементация заключается в насыщении поверхностного

слоя стальных деталей одновременно азотом и углеродом в газо

вой среде при температуре 850... 870 °С в течение 5... 10 ч. Газовая

среда представляет собой эндогаз, состоящий из азота, водорода

и оксида углерода, с добавкой природного газа и аммиака. Тол

щина нитроцементованного слоя 0,2...0,8 мм. После нитроцемен

тации проводятся закалка и низкий отпуск.

Цианирование представляет собой процесс также одновременно

го насыщения стали углеродом и азотом, протекающий в жидких

расплавленных солях, содержащих цианистый натрий NaCN при

температуре 820... 960 °С. Толщина планированного слоя 0,3... 2 мм,

продолжительность цианирования 0,5 ...6 ч.

В зависимости от температуры и состава ванны получают раз

ные структуру и степень насыщения поверхностного слоя деталей.

Недостатком цианирования является повышенная токсичность

газовых выделений цианистых солей. Проведение этого процесса

сопряжено с выполнением особых требований техники безопасно

сти. В то же время по сравнению с цементированием нитроциани-

рованный и цианированный слои обладают большей сопротивля

емостью износу, большей твердостью и лучшим сопротивлением

коррозии, детали меньше подвержены короблению.

Диффузионная металлизация — процесс диффузионного на

сыщения поверхности стали различными металлами при высоких

температурах в твердой, жидкой или газовой среде. Например,

при насыщении стальной поверхности алюминием процесс на

зывается диффузионным алитированием, хромом — диффузион

ным хромированием и т.д.

Алитирование заключается в образовании на поверхности дета

лей плотной пленки оксида алюминия А120 3 и за счет этого обес

печении высокого сопротивления окислению в обычных условиях

и при нагреве до температуры 850...900 °С.

Хромирование также повышает коррозионную стойкость при

обычных температурах и нагреве до 800 °С. Кроме того, повыша

ются твердость и износостойкость высокоуглеродистых сталей.

2.3. Коррозия металлов и сплавов

и способы защиты от нее автомобильных деталей

Коррозия — это разрушение металлов и сплавов вследствие

химического или электрохимического взаимодействия их с внеш

ней (коррозионной) средой. При этом участки металла, подверг

шиеся коррозионному разрушению, полностью теряют свои ме

ханические свойства.

Коррозия может служить причиной преждевременного выхода

из строя деталей, агрегатов, оборудования, а также аварий метал

лических конструкций. В результате коррозии ежегодно теряется

от 1 до 1,5 % всего используемого металла. Принято считать, что в

индустриально развитых странах убытки от коррозии составляют

2...4 % национального дохода.

Большой ущерб коррозия наносит автомобильным конструкци

ям. Она, например, является основной причиной преждевремен

ного выхода из строя кузовов легковых автомобилей и автобусов.

В процессе коррозии восстанавливаются те химические соедине

ния, в которых металл находится в естественных природных ус

ловиях, например в виде Fe20 3, Fe30 4, FeC03, А120 3, CuFeS2,

Cu2S и т.д. Различают два вида коррозии: химическую и электро

химическую.

Химическая коррозия возникает в результате воздействия на

металл сухих газов при повышенной температуре (газовая корро

зия) и агрессивных жидкостей неэлектролитов (бензин, масло,

расплавы солей, сернистая нефть). При химической коррозии про

исходит прямое гетерогенное взаимодействие металла с окисли

телем окружающей среды. Примером химической коррозии мо

жет служить окисление клапанов двигателя внутреннего сгорания,

топливных баков, трубопроводов деталей системы питания авто

мобильных двигателей.

В процессе газовой коррозии на поверхности металла образует

ся пленка оксида. При этом если у алюминия, хрома, никеля,

свинца, олова эта пленка очень прочна и предохраняет металл от

коррозии, то пленка оксидов железа непрочна и является причи

ной проникновения коррозии в глубь металла. Образование ока

лины на деталях выпускной системы автомобильного двигателя

является наглядным подтверждением распространения химической

коррозии в толще металла этих деталей. В неэлектролитах коррозия

происходит вследствие наличия в них агрессивных соединений,

разрушающих металл.

Электрохимическая коррозия является результатом воздействия

на металлы различных электролитов — водных растворов кислот,

щелочей, различных солей, проводящих электрический ток. К элек

тролитической коррозии относится и атмосферная коррозия, при

которой влага из воздуха, содержащая С02, СО и другие примеси,

конденсируется на поверхности металла. Пыль и другие загрязне

ния на поверхности металла усиливают адсорбцию влаги и газов,

образуется влажная пленка, являющаяся электролитом.

В условиях электролита металлы и сплавы, имеющие разную

напряженность, образуют гальванические пары. Поскольку прак

тически металлы и сплавы всегда физически и химически не

однородны (разные структурные составляющие сплава, оксидные

пленки), при наличии на их поверхности электролита образуется

множество микроскопических гальванических пар, в которых ме

талл с более высоким потенциалом становится катодом, а с менее

высоким — анодом. Это приводит к тому, что участки металла,

представляющие собой аноды гальванических пар, начинают раз

рушаться, их атомы переходят в электролит в форме ионов, ос

тавляя эквивалентное количество электронов в аноде.

При структуре стали, состоящей из феррита и цементита, в

процессе электрохимической коррозии цементит остается неиз

менным, а феррит, растворяясь, образует с веществом электро

лита ржавчину. Чем выше разность потенциалов металлов, обра

зующих гальванические пары, и больше степень неоднородности

структур, температура и величина внутренних напряжений, тем

интенсивнее коррозия.

В зависимости от характера разрушения коррозия может быть

сплошной, местной и межкристаллитной (по границам зерен)

(рис. 2.7). Если первые два вида обусловливаются химическим

взаимодействием, то межкристаллитная коррозия имеет электро

химическую природу, и она наиболее опасна, так как сопровож

дается заметным снижением прочности сплава. Обнаружить меж-

кристаллитную коррозию по внешнему виду очень трудно.

Многие детали на автомобиле подвержены также так называемо

му коррозионному износу, который возникает под действием знако

переменной нагрузки и коррозионного влияния окружающей среды.

Способы защиты от коррозии автомобильных деталей могут

быть разделены на следующие группы:

• покрытия неметаллическими веществами;

• создание металлического покрытия;

• диффузионное насыщение поверхностного слоя;

• использование покрытий в виде пленок оксидов (химические

покрытия);

• создание коррозионно-стойких сплавов;

• применение ингибиторов коррозии;

• использование органосиликатов.

Покрытие неметаллическими веществами — нанесение на по

верхность металла красок, лаков, противокоррозионных паст,

защитных смазок, пластмасс (см. гл. 15).

Создание металлических покрытий — это нанесение металла

на поверхность стального изделия горячим и гальваническим спосо

бами. Горячий способ заключается в том, что изделие погру

жают в ванну с расплавленным металлом (цинкование, лужение

оловом, свинцевание). На автомобилях оцинковывают кузовные и

крепежные детали, покрывают оловом ленту для трубок радиа-

а б в

Рис. 2.7. Основные типы коррозионного разрушения:

а — равномерная коррозия; б — местная коррозия; в — межкристаллитная кор

розия

тора, освинцовывают наконечники зажимов проводов электро

оборудования, топливные баки и т. д. Гальванический спо

соб заключается в осаждении на изделие тонкого слоя металла

из его соли под действием электрического тока. Например, для

автомобилей применяют хромирование декоративных деталей (бам

перы, ободки фар и др.).

Диффузионный способ состоит в насыщении поверхностных слоев

стальной детали различными элементами, вступающими в хими

ческое соединение. Примерами могут служить цементация, циа

нирование, алитирование, которые широко применяются для

изготовления ответственных деталей автомобиля.

Покрытие пленками оксидов возможно в процессе оксидирова

ния или фосфатирования. Оксидирование (воронение) при

меняется для защиты черных металлов путем создания на поверх

ности оксидной пленки погружением деталей в кипящий водный

раствор, содержащий едкий натр, селитру и пероксид марганца.

Полученная пленка достаточно стойка в сухом воздухе и менее

стойка во влажной атмосфере и особенно в воде.

Создание коррозионно-стойких сплавов осуществляется посред

ством введения в сталь легирующих добавок хрома, никеля, алю

миния, кремния, вольфрама и других элементов, повышающих

сопротивление коррозии и улучшающих другие служебные характе

ристики металла для ответственных деталей автомобиля (клапанов,

шестерен и валов коробки передач, полуосей, распределительных

валов, шаровых пальцев и др.).

Ингибиторы коррозии — это вещества, введение которых в аг

рессивную среду приводит к торможению коррозии. Этим методом

можно защищать практически любые металлы и почти в любых

средах, включая охлаждающие жидкости, масла для двигателей,

жидкое топливо. Добавляются ингибиторы в небольших количе

ствах, например 10...50 г/м3 бензина.

Органосиликаты в исходном состоянии напоминают суспензии

и наносятся на предохраняющие поверхности кистью, валиком,

пульверизатором и т. п. При нагреве они превращаются в керами

ку с повышенными защитными свойствами, становясь термо- и

даже жаростойкими. С их помощью удобно обеспечивать наруж

ную защиту деталей системы выхлопа двигателя, так как после

нанесения они затвердевают при температуре самих нагретых де

талей. Они быстро затвердевают и при нормальных температурах,

легко обрабатываются, что позволяет в случае необходимости

оперативно восстанавливать поврежденные покрытия на месте. Для

получения органосиликатов используют кремнийорганические

полимеры (лаки), пигменты, оксиды, слюду, тальк, асбест.