Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Классификация сталей

В настоящее время нет единой классификации специальных сталей. Существует много признаков, по которым классифицируют стали, но зачастую и они не могут быть однозначными для большого числа марок сталей.

Рассмотрим классификацию сталей по наиболее общим признакам.

По химическому составу стали, и сплавы черных металлов условно подразделяют на углеродистые (нелегированные) стали, низколегированные стали, легированные стали, высоколегированные стали, сплавы на основе железа.

Углеродистые стали не содержат специально введенных легирующих элементов. Их количество в этих сталях должно быть в пределах, регламентированных для примесей соответствующими ГОСТами.

В низколегированных сталях суммарное содержание легирующих элементов должно быть не более 2,5 % (кроме углерода), в легированных - от 2,5 до 10 %, в высоколегированных - более 10 % при содержании в них железа не менее 45 %.

Сплавы на основе железа содержат железа менее 45 %, но его количество больше, чем любого другого легирующего элемента.

В зависимости от наличия тех или иных легирующих элементов стали называют марганцовистыми, кремнистыми, хромистыми, никелевыми, а также хромоникелевыми, хромомарганцовистыми, хромокремнистыми, хромованадиевыми, никельмолибденовыми, хромоникельмолибдено- выми, хромомолибденованадиевыми, хромокремнемарганцовоникелевыми и т. п.

По назначению специальные стали подразделяют на конструкционные, инструментальные, стали с особыми физическими свойствами.

Конструкционной сталью называется сталь, применяемая для изготовления различных деталей машин, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве и обладающая определенными механическими, физическими и химическими свойствами.

Конструкционные стали подразделяют на строительные, машиностроительные и стали и сплавы с особыми свойствами - теплоустойчивые, жаропрочные, жаростойкие, коррозионностойкие.

Инструментальной сталью называется сталь, применяемая для обработки материалов резанием или давлением и обладающая высокой твердостью, прочностью, износостойкостью и рядом других свойств.

Инструментальные стали подразделяют на стали для режущего инструмента, штамповые стали и стали для измерительного инструмента.

Внутри указанной классификации существуют более узкие подразделения сталей как по назначению, так и по свойствам.

Классификация сталей по структуре в значительной степени условна.

По структуре сталей в равновесном состоянии их делят на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные.

Легирующие элементы изменяют, содержание углерода к эвтектоиде по отношению к его положению в углеродистой стали. Поэтому в зависимости от сочетания легирующих элементов положение эвтектоидной точки может быть при разном содержании углерода.

Другим условным структурным признаком, по которому классифицируют стали, является основная структура, полученная при охлаждении на воздухе образцов небольших сечений после высокотемпературного нагрева (~900°С). При этом в зависимости от структуры стали подразделяют на перлитные, бейнитные, мартенситные, ледебуритные, ферритные и аустенитные.

Перлитные и бейнитные стали чаще всего бывают углеродистыми и низколегированными, мартенситные - легированными и высоколегированными, а ферритные и аустенитные, как правило, высоколегированные. Однако такая связь между структурой и легированностью стали далеко неоднозначна. Наряду с перечисленными могут быть смешанные структурные классы: феррито-перлитный, феррито-мартенситный, аустенито-ферритный, аустенито-мартенситный. Такая классификация применяется при наличии не менее 10 % феррита (как второй структуры).

По качеству стали подразделяют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные, особовысококачественные.

	Р	S
Обыкновенного качества . .	. 0,040	0,050
Качественная	0,035	0,035
Высококачественная .	. 0,025	0,025
Особовысококачественная .	. 0,025	0,015

Главными качественными признаками стали являются более жесткие требования по химическому составу и прежде всего по содержанию вредных примесей, таких как фосфора и серы. Ниже приведено предельное содержание фосфора и серы, % (не более), в сталях разной категории качества:

Категория обыкновенного качества может относиться только к углеродистым сталям. Все остальные категории качества могут относиться к любым по степени легирования сталям.

Наряду с приведенными классификациями по общим признакам, относящимся к разным сталям, существуют более частные классификации определенных групп сталей, которые будут рассмотрены в соответствующих частях.



2. Маркировка сталей

Углеродистые конструкционные качественные стали обозначают двухзначным числом, указывающим среднее содержание углерода в сотых долях процента (например, 05; 08; 10; 15; 20; 25...80; 85).

Для сталей, полностью не раскисленных (при С< 0,20 %), в обозначение добавляются индексы: кп - кипящая сталь, пс - полуспокойная сталь (например, 15кп, 20пс). Для спокойных сталей индекс не указывается. Углеродистые инструментальные стали обозначают буквой «У» и следующей за ней цифрой, указывающей среднее содержание углерода в десятых долях процента (например, У7; У8; У9; У10; У11; У12; У13).

В легированных сталях основные легирующие элементы обозначают буквами: А - азот, К - кобальт, Т - титан, Б - ниобий, В - вольфрам, Г - марганец, Д - медь, Е - селен, М - молибден, Н - никель, П - фосфор, Р - бор, С - кремний, Ф - ванадий, X - хром, Ц - цирконий, Ю - алюминий.

Цифры после буквы в обозначении марки стали показывают примерное количество того или иного элемента, округленное до целого числа. При среднем содержании легирующего элемента до 1,5 % цифру за буквенным индексом не приводят. Содержание углерода указывается в начале марки в сотых (конструкционные стали) или десятых (инструментальные стали) долях процента.

Так, конструкционная сталь, содержащая 0,42- 0,50 % С; 0,5-0,8 % Мn; 0,8-1,0 % Сr; 1,3-1,8 % Ni; 0,2-0,3 % Мо и 0,10-0,18 % V, обозначается маркой 45ХН2МФ. Инструментальная сталь (штамповая) состава: 0,32-0,40 % С; 0,80-1,20 % Sі; 0,15-0,40 % Мn; 4,5-5.5%

Сr; 1,20-1,50 % Мо и 0,3-0,5 % V обозначается 4Х5МФС.

Если содержание углерода в инструментальных легированных сталях 1 % и более, то цифру в начале марки иногда вообще не ставят (например, X, ХВГ).

Буква «А» в конце марки указывает, что сталь относится к категории высококачественной (ЗОХГСА), если та же буква в середине марки - то сталь легированна азотом (16Г2АФ), а в начале марки буква «А» указывает на то, что сталь автоматная повышенной обрабатываемости (А35Г2). Индекс «АС» в начале марки указывает, что сталь автоматная со свинцом (АС35Г2).

Особовысококачественная сталь обозначается добавлением через дефис в конце марки буквы «Ш» (З0ХГС-Ш или З0ХГСА-Ш).

Сталь, не содержащая в конце марки букв «А» или «Ш», относится к категории качественных (З0ХГС).

В марках быстрорежущих сталей вначале приводят букву «Р», за ней следует цифра, указывающая содержание вольфрама. Во всех быстрорежущих сталях содержится около 4 % Сr, поэтому в обозначении марки буквы «X» нет. Ванадий, содержание которого в различных марках колеблется в пределах от 1 до 5 %, обозначается, в марке, если его среднее содержание 2,0 % и более. Так как содержание углерода в быстрорежущих сталях пропорционально количеству ванадия, то содержание углерода в маркировке стали не указывается. Если в быстрорежущих сталях содержится молибден или кобальт, количество указывается в марке.

Например, сталь состава: 0,7-0,8 % С; 3,8-4,4 % Сr; 17,0 - 18,5 % W; 1,0-1,4 % V обозначается маркой Р18, а сталь: 0,95-1,05 % С;3,8-4,4 % Сr; 5,5-6% W; 4,6- 5,2 % Mo; 1.8-2,4 % V и 7,5-8,5 %

Со обозначается Р6М5Ф2К8.

Высоколегированные стали сложного состава иногда обозначают упрощенно по порядковому номеру разработки и освоения стали на металлургическом заводе. Перед номером стали ставят индексы «ЭИ», «ЭП» (завод «Электросталь»).

Например, упомянутая быстрорежущая сталь Р6М5Ф2К8 упрощенно обозначается ЭП658, а жаропрочная 37Х12Н8Г8МФБ - ЭИ481.Маркировка марок жаропрочных и жаростойких сплавов на железоникелевой и никелевой основах состоит только из буквенных обозначений элементов, за исключением никеля, после которого указывается цифра, обозначающая его среднее содержание в процентах.

Например, сплав состава: 0,12 % С; 14,0-16,0 % Сr; 34,0 - 38,0 % Ni; 1,1 -1,5 % Ті; 2,8-3,5 % остальное Fe обозначается ХН35ВТ (ЭИ612), а сплав < 0,07 % С; 19,0 - 22,0% Сr; 2,4-2,8 % Ті; 0,6-1,0 % Аl; 4,0% Fe; остальное - Ni обозначается ХН77ТЮР (ЭИ437).

Принятая система маркировки наглядна и проста. В других странах применяют другие принципы обозначения сталей.

Так, буквенно-цифровая система используется в ВНР, ВНР, ПНР, ГДР, ФРГ, Италии, Франции и других странах. В ряде стран применяют цифровое обозначение марок сталей.



3. Отпускная хрупкость стали

Конструкционные стали, подвергаемые закалке и отпуску, имеют склонность к отпускной хрупкости.

После отпуска при определенных температурах и условиях наблюдается повышение температуры вязко-хрупкого перехода (рис 1). На многих сталях охрупчивание наблюдается и по снижению ударной вязкости (рис 2). Однако изменение температуры перехода является более надежным критерием склонности стали к отпускной хрупкости. Различают два рода отпускной хрупкости.

Рис. 1. Влияние температуры испытания на переход стали 37ХНЗА из вязкого состояния в хрупкое (В.Д. Садовский, А. В. Смирнов, Е.Н. Соколков): 1 - закалка; сталь склонна к отпускной хрупкости; 2 - ВТМО; сталь не склонна к отпускной хрупкости

Отпускная хрупкость I рода, или необратимая, проявляется при отпуске около 300°С, и отпускная хрупкость II рода, или обратимая, обнаруживается после отпуска выше 500 °С.

Необратимая отпускная хрупкость (I рода) присуща практически всем сталям, углеродистым и легированным, после отпуска в области температур 250-400 °С. Повторный отпуск при более высокой температуре (400-500 °С) снимает хрупкость, и сталь становится к ней не склонной даже при отпуске вновь в район опасных температур. В связи с этим эта хрупкость получила название необратимой. Этот род хрупкости не зависит от скорости охлаждения после отпуска.

Рис. 2. Влияние температуры отпуска стали 37ХНЭА на ударную вязкость и твердость (В. Д. Садовский, Л. В. Смирнов, Е. Н. Соколков): /_ закалка; сталь склонна к отпускной хрупкости; 2 - ВТМО; сталь не склонна к отпускной хрупкости

Легирующие элементы, за исключением кремния, не влияют существенно на развитие хрупкости I рода. Кремний сдвигает интервал развития хрупкости в область более высоких температур отпуска (350-450 °С). Высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО) уменьшает склонность к отпускной хрупкости (см. рис. 2). На практике для исключения охрупчивания стали избегают проведения отпуска в области опасных температур.

Хотя природа необратимой отпускной хрупкости стали окончательно не установлена, считается, что наиболее вероятной причиной охрупчивання является выделение карбидных фаз по границам зерен на начальных стадиях распада мартенсита. Вследствие этого создается неоднородное состояние твердого раствора, возникают пики напряжений, и сопротивление разрушению по границам заметно меньше, чем по телу зерна, происходит межкристаллитное разрушение (В. И. Саррак, Р. И. Энтин).

Обратимая отпускная хрупкость (II рода) в наибольшей степени присуща легированным сталям после высокого отпуска при 500-650 °С и медленного охлаждения от температур отпуска. При быстром охлаждении после отпуска (в воде) вязкость не уменьшается, а монотонно возрастает с повышением температуры отпуска. Отпускная хрупкость усиливается, если сталь длительное время (8-10 ч) выдерживается в опасном интервале температур.

Отпускная хрупкость II рода может быть устранена повторным высоким отпуском с быстрым охлаждением и вызвана вновь высоким отпуском с последующим медленным охлаждением. Поэтому такую отпускную хрупкость называют обратимой. Развитие обратимой отпускной хрупкости не сопровождается какими-либо изменениями других механических свойств, а также видимыми при световой и электронной микроскопии структурными изменениями. Лишь при травлении шлифов поверхностно-активными реактивами наблюдается повышенная травимость по границам аустенистных зерен. По этим границам происходит и межзеренное хрупкое разрушение.

Легирование стали Cr, Ni, Mn усиливает отпускную хрупкость. Особенно сильно охрупчивается сталь при совместном легировании Сr+Ni, Сr+Мn, Сr + Мn+Si и др.

Введение до 0,4-0,5% Мо и до 1,2-1,5% W уменьшает, а иногда полностью подавляет склонность стали к обратимой отпускной хрупкости; при более высоком содержании этих элементов хрупкость вновь усиливается.

Исследованиями этими же методами выявлена значительная сегрегация на границах зерен легирующих элементов (хрома, никеля, марганца и др.), которые значительно увеличивают термодинамическую активность примесей и их приток к границам. Молибден и вольфрам при оптимальных содержаниях не сегрегируют к границам. Вследствие падения поверхностной энергии межзеренного сцепления более чем на порядок происходит разрушение стали по границам аустенитных зерен.

Разработаны и нашли широкое практическое применение методы борьбы с обратимой отпускной хрупкостью:

1. Легирование стали молибденом (0,2-0,4%) или его аналогом вольфрамом в количестве, в три раза большем (0,6-1,2 %).

2.Ускоренное охлаждение (вода или масло) после высокого отпуска.

3. Снижение содержания вредных примесей, особенно фосфора.

Необходимо также отметить, что применение вместо обычной закалки высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) позволяет подавить склонность как к необратимой, так и к обратимой отпускной хрупкости (см. рис. 2). Причина такого влияния ВТМО состоит в том, что при такой обработке увеличивается протяженность границ благодаря образованию зубчатых большеугловых границ и развитой структуры, вследствие чего уменьшается сегрегация примесей и возрастает прочность межзеренного сцепления.



4. Старение стали

Общие сведения. Старением называют изменение свойств-сплавов с течением времени. В результате старения изменяются физико-механические свойства. Прочность и твердость повышаются, а пластичность и вязкость понижаются. Старение может происходить при температуре 20° С (естественное старение) или при нагреве до невысоких температур (искусственное старение).

Различают два вида старения: 1) термическое, протекающее в закаленном сплаве; 2) деформационное (механическое), происходящее в сплаве, пластически деформированном при температуре ниже температуры рекристаллизации.

Термическому старению подвергаются сплавы, обладающие ограниченной растворимостью в твердом состоянии, когда растворимость одного компонента в другом уменьшается с понижением температуры. Деформационное старение не связано с диаграммой состояния сплава. К старению склонны многие сплавы железа и сплавы цветных металлов. Результаты старения могут быть разными. В одних случаях старение является положительным и его используют:

1) при термической обработке алюминиевых, магниевых, титановых и некоторых других цветных сплавов для повышения их прочности и твердости (термическое старение);

2) для упрочнения деталей из пружинных сталей, которые при эксплуатации должны обладать высокими упругими прочностными и усталостными свойствами (деформационное старение). В других случаях старение является отрицательным: резкое снижение ударной вязкости и повышение порога хладноломкости в результате старения (особенно деформационного) могут явиться причиной разрушения конструкции; ухудшение штампуемосги листовой стали; изменение размеров закаленных деталей и инструмента при естественном старении, что особенно вредно для точного измерительного инструмента и прецизионных деталей (например, подшипников); размагничивание в процессе эксплуатации стальных закаленных постоянных магнитов; преждевременное разрушение рельсов в пути. Поэтому низкоуглеродистая сталь способна подвергаться процессу термического старения, в результате чего повышаются твердость и прочность и понижается пластичность.

Выделившиеся частицы становятся более крупными, расстояние между ними увеличивается, что в меньшей степени препятствует перемещению дислокаций в твердом растворе и поэтому твердость понижается.

Рис.3. Петли дислокаций вокруг частиц, пересекающих плоскость скольжения; дислокации перемещаются слева направо (модель Орована)

Рис.4. Измерение твердости закаленной от 730°С низкоуглеродистой стали (0,06% С) в зависимости от температуры и длительности старения

Кроме углерода на процесс старения низкоуглеродистой стали влияет азот, растворимость которого в а-железе уменьшается с понижением температуры (с 0,1% N при 590° С до 0,004% N при температуре 20е С). При старении из пересыщенного а-раствора выделяются нитриды, но по сравнению с углеродом азот оказывает меньшее влияние на термическое стерение.

Наибольший эффект термического старения наблюдается у сталей с концентрацией углерода, равной или близкой максимальной растворимости углерода в а-железе (0,02-0,04% С); например, твердость железа типа Армко (0,02% С) после закалки и естественного старения по сравнению с твердостью в отожженном состоянии увеличивается на 175%.

С увеличением содержания углерода склонность стали к термическому старению уменьшается.

Предшествующая термическая обработка на склонность низкоуглеродистой стали к термическому старению влияет следующим образом: наибольший эффект наблюдается в стали, подвергнутой закалке, в меньшей степени после нормализации, а после отжига или закалки и высокого отпуска сталь старению не подвержена.

Деформационное старение низкоуглеродистой стали. Деформационному старению подвержена сталь, пластически деформированная при температуре ниже температуры рекристаллизации. Деформационное старение объясняется теорией дислокаций. При холодной пластической деформации возрастает количество (плотность) дислокаций, увеличивающееся с повышением степени деформации. При старении атомы азота и углерода, находящиеся в а-растворе, перемещаются к дислокациям, образуя вокруг них скопления, называемые облаками (атмосферами) Котрелла. Эти скопления атомов блокируют дислокации, затрудняют их перемещение при пластической деформации, в связи с чем твердость и прочность стали повышаются, а пластичность понижается.

Старение проявляется в низкоуглеродистой стали сразу, если деформация ее производится при температуре 200-300° С. Хрупкость стали, возникающая непосредственно после деформации в указанном температурном интервале, соответствующем появлению на поверхности стальной детали синего цвета побежалости, называют синеломкостью.

На деформационное старение в основном влияет азот; медь и никель увеличивают интенсивность деформационного старения, а алюминий и кремний значительно снижают его эффект; хром, ванадий и титан при определенных концентрациях исключают деформационное старение.

Экономичнее применять сталь, содержащую алюминий. Алюминий связывает азот в нитриды, а для уменьшения влияния углерода применяется специальная термическая обработка до и после деформирования. Такой сталью является листовая сталь марки 08Ю (0,02-0,07% А1).

Изменение механических свойств при деформационном старении зависит от температуры, степени и способа деформации и длительности старения. При естественном деформационном старении процесс идет медленно и заканчивается через 15 суток с максимальным упрочнением. При искусственном деформационном старении с повышением температуры и выдержки твердость снижается. Па склонность стали к деформационному старению в паи большей степени влияет деформация сжатием при степени деформации до 10%. В связи с неблагоприятным влиянием деформационного старения на свойства стали для некоторых низкоуглеродистых сталей предусмотрено специальное испытание на склонность к деформационному старению.

Старение высокоуглеродистой стали. Размеры деталей из закаленной высокоуглеродистой стали (в которой после нагрева и охлаждения произошли изменения объема) при длительном вылеживании при температуре 20° С (естественное старение) постепенно изменяются.

Стабилизация напряженного состояния достигается искусственным старением при 125-150° С с выдержкой 25-30 ч. Обработку целесообразно вести в следующей технологической последовательности: закалка, низкий отпуск, предварительное шлифование, старение, чистовое шлифование. Если желательно сохранить после закалки более высокую твердость, старение целесообразно проводить при 125-130° С.

) аустенит при последующей выдержке при температуре 20° С в мартенсит не превращается.

близка к 0° С. Поэтому для стабилизации остаточного аустенита достаточно охлаждение до температур, близких к 0° С.



5. Химико-термическая обработка стали

Химико-термическая обработка по сравнению с поверхностной закалкой, например высокочастотной, обладает некоторыми особенностями и преимуществами (уступая поверхностной закалке в производительности):

1. Независимость от внешней формы изделия. С одинаковым успехом можно обрабатывать и сложные, и простые по форме изделия, получая по всей поверхности упрочненный слой одинаковой толщины. При поверхностной же закалке внешняя форма изделия имеет большое значение, у многих деталей машин внешняя форма такова, что исключает возможность применения поверхностной закалки.

2. Большее различие между свойствами сердцевины и поверхности, чем при поверхностной закалке. При химико-термической обработке разница в свойствах определяется различием в строении и в составе, а при поверхностной закалке - только различием в строении.

3. Последствия перегрева поверхности могут быть устранены последующей термической обработкой, тогда как при поверхностной закалке перегрев не может быть устранен, так как она является последней операцией.

Обычно при химико-термической обработке деталь помещают в среду, богатую элементом, который диффундирует в металл.

В случае газового окружения (наиболее частный случай) при химико-термической обработке происходят три элементарных процесса.

Первый процесс - диссоциация. Протекает в газовой среде и состоит в распаде молекул и образовании активных атомов диффундирующего элемента. Например : 2СО > СO2 + С или NН3 > ЗН + N.

Степень распада молекул газа (%) называется степенью диссоциации.

Второй процесс-абсорбция. Происходит на границе газ-металл и состоит в поглощении (растворении) поверхностью свободных атомов. Этот процесс возможен только в том случае, если диффундирующий элемент В способен растворяться в основном металле А.

Рис. 5

Проникновение насыщающего элемента вглубь - диффузия. Она характеризует третий процесс.

Eсли процессы диссоциации, абсорбции и диффузии протекают достаточно активно и времени достаточно, то на поверхности может образоваться слой твердого раствора В (А) переменной концентрации (рис. 3), под ним будет находиться подслой твердого раствора химического соединения А_п В_т тоже переменной концентрации и, наконец, слой твердого раствора А (В), убывающего от предела насыщения (при данной температуре) до нуля. На границах раздела слоев концентрация изменяется скачкообразно, в соответствии с условиями равновесного сосуществования фаз.

Различаются два вида диффузионного перемещения атомов в металлах:

а) самодиффузия, когда происходит перемещение атомов основного металла в собственной кристаллической решетке;

б)гетеродиффузия, когда происходит перемещение инородных (растворенных) атомов в чужой кристаллической решетке.

Рис.6

Продолжительность процесса химико-термической обработки определяется требуемой глубиной диффузионного слоя.

При постоянных параметрах процесса (температура и др.) увеличение глубины слоя (у) во времени (т) подчиняется параболическому закону (рис. 6).

Чем больше толщина уже имеющегося слоя, тем меньше он увеличивается за одинаковый отрезок времени.

Некоторые особенности диффузии в металлах объясняются их кристаллическим строением.

Анизотропия свойств кристаллов проявляется в отношении способности к диффузии.

5.1 Цементация стали

Цементацией (науглероживанием) называется химике-термическая обработка заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагревании в соответствующей среде - карбюризаторе. Как правило, цементацию проводят при температурах выше точки Ас3 (930-950 °С), когда устойчив аустенит, растворяющий углерод в больших количествах.

Окончательные свойства цементованные изделия приобретают в результате закалки и низкого отпуска, выполняемых после цементации.

Назначение цементации и последующей термической обработки - придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе и кручении.

Различают два вида цементации: твердую и газовую.

При твердой цементации детали запаковывают в ящик, наполненный карбюризатором - науглероживающим веществом. Карбюризатором является древесный уголь с различными добавками. Продолжительная операция. Занимает в зависимости от требуемой глубины цементации часто не один десяток часов. Даже для образования слоя малой глубины, например в 1 мм, продолжительность цементации составляет несколько часов. Такая большая продолжительность процесса объясняется главным образом малой скоростью прогрева ящика, наполненного нетеплопроводным карбюризатором.

Увеличение скорости цементации достигается применением цементации в газовых средах.

При газовой цементации герметически закрытая камера печи наполнена цементирующим газом.

Цементирующими газами являются окись углерода и газообразные углеводороды. Кроме естественного газа, применение получила цементация бензолом, который в виде капель подают в цементационную реторту, где образуется газ, состоящий главным образом из метана, окиси углерода и свободного водорода

Цементацию ниже критической точки Ас₁ не проводят, так как б-железо почти не растворяет углерод и при цементации ниже А₁ образуется лишь поверхностная корочка цементита очень небольшой толщины.

Практически цементацию проводят при 900-930 °С, но имеется тенденция повысить температуру цементации до 950-970 °С и выше.

Рис. 7. Микроструктура цементированного слоя после медленного охлаждения с температуры цементации

Повышение температуры цементации, как следует из общих представлений о процессе диффузии, резко увеличивает глубину слоя.

Структура цементированного слоя после медленного охлаждения от температуры цементации показана на рис. 7.

Цементацию рекомендуется проводить так, чтобы содержание углерода в наружном слое не превышало 1,1-1,2 %. Более высокое содержание углерода приводит к образованию значительных количеств вторичного цементита, сообщающего слою повышенную хрупкость.

Задача цементации - получить высокую поверхностную твердость и износоустойчивость при вязкой сердцевине - не решается одной цементацией. Цементацией достигается лишь выгодное распределение углерода по сечению.

Окончательно формирует свойства цементованной детали последующая закалка, при которой на поверхности получается высокоуглеродистый мартенсит, а в сердцевине сохраняется низкая твердость и высокая вязкость.

5.2 Азотирование

Азотированием (азотизацией или нитрированием) стали называется процесс поверхностного насыщения стали азотом.

Азотированию, как и цементации, подвергают детали, работающие на износ и воспринимающие знакопеременные нагрузки. Азотированные детали имеют следующие преимущества: высокую твердость, износостойкость, теплостойкость и коррозийную стойкость. Так как азотированию подвергают в основном легированные стали определенных составов и процесс имеет большую продолжительность (30-60 ч.), применение его оказывается экономически целесообразным лишь для обработки ответственных инструментов и деталей авиамоторов, дизелей, турбин, приборов и т. п.

Насыщаемость железа молекулярным азотом при атмосферном давлении и температуре до 1500 ⁰С невелика, однако ее можно увеличить, создав в печи высокое давление (несколько сот атмосфер). Но этот способ насыщения железа азотом пока не представляет практического интереса ввиду его трудоемкости.

Для насыщения целесообразнее использовать атомарный азот, образующийся в момент разложения соединений, содержащих этот элемент. В качестве такого соединения обычно применяют аммиак, диссоциация которого сопровождается выделением азота в атомарном активном состоянии, который, однако, вскоре переходит в молекулярное состояние и теряет свою активность.

Поэтому азотирование интенсивно протекает лишь в том случае, когда диссоциация аммиака происходит в непосредственной близости от азотируемой поверхности.

Все шире применяется азотирование аустенитных и нержавеющих теплостойких сталей.

Аустенитная сталь, как известно, имеет низкую износостойкость, но в то же время обладает рядом ценных свойств: парамагнитностью, высокой жаропрочностью, окалиностойкостью, коррозийной стойкостью и высокой ударной вязкостью при температуре ниже 0 ⁰С.

Азотирование - наиболее эффективный способ повышения износостойкости аустенитных нержавеющих сталей.

В ряде зарубежных работ освещены результаты исследований сталей, содержащих титан. Эти стали азотируются быстрее, чем хромомолибденоаллюминиевая, и отличаются более высокой поверхностной твердостью и красностойкостью.

Разработана сталь, содержащая 18% Ni, насыщение азотом при 425-455 ⁰С в течение 20 ч приводит к превращению в поверхностном слое феррита в аустенит, а последний, при охлаждении на воздухе превращается в мартенсит.

Рекомендовано подвергать азотированию (взамен цианирования) инструмент из быстрорежущих сталей Р9 и Р18.

Азотированию подвергают также детали из высокопрочного магниевого чугуна (в частности, коленчатые валы тепловоза и детали из специальных чугунов, легированных алюминием).

Свойства азотированной легированной стали.

Азотированный слой обладает высокой твердостью и износостойкостью. Износостойкость азотированной стали в 1,5-4 раза выше износостойкости закаленных высокоуглеродистых, цементованных, а также цианированных и нитроцементованных сталей.

Азотирование снижает вязкость стали, повышает ее прочность, ослабляет влияние концентраторов напряжений на снижение предела выносливости стали и существенно повышает предел выносливости, особенно тонких деталей и деталей, работающих в некоторых коррозионных средах.

Азотирование повышает сопротивление задираемости и налипанию металла под нагрузкой и особенно при повышенных температурах.

Азотированная сталь обладает теплостойкостью (красностойкостью), и ее твердость сохраняется после воздействия высоких температур. Например, сталь 38ХМЮА сохраняет свою твердость при нагреве до 500-520 ⁰С в течение нескольких десятков часов. Еще большую устойчивость твердости против воздействия температур (до 600 ⁰С) имеет аустенитная сталь. Однако при длительной эксплуатации в условиях высоких температур азотированный слой постепенно рассасывается, на поверхности образуются окислы и происходит глубокая диффузия кислорода по нитридным прожилкам, образующимся как в процессе азотирования, так и при длительном нагреве во время эксплуатации.

В результате азотирования коррозионная стойкость конструкционной стали (в среде воздуха, водопроводной воде, перегретом паре, слабых щелочных растворах) повышается и, наоборот, аустенитной хромоникелевой и нержавеющей хромистой стали некоторых марок понижается. Окалиностойкость последних сталей также понижается. Это объясняется тем, что в азотированном слое этих сталей из твердого раствора устраняется значительная часть хрома, входящего в состав образующихся нитридов. В аустенитной стали некоторых составов, например с малым содержанием никеля, это может сопровождаться даже выпадением в азотированном слое ?-фазы, в результате чего поверхностный слой становится слегка магнитным.

Азотированная сталь обладает высокой эрозионной стойкостью в потоках горячей воды и водяного пара.

5.3 Нитроцементация

Нитроцементацией называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при 840-860 °С в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Продолжительность процесса 4-10 ч. Основное назначение нитроцементации - повышение твердости и износостойкости стальных деталей.

Установлено, что при одновременной диффузии углерода и азота ускоряется диффузия углерода. Скорость роста нитроцементованного и цементованного слоев на глубину 500 мкм практически одинакова, хотя температура нитроцементации почти на 100 °С ниже.

Для нитроцементации легированных сталей рекомендуется использовать контролируемую эндотермическую атмосферу, к которой добавляют 1,5-5,5 % (объемн.) необработанного природного газа и 1,0-3,5 % (объемн.) ЫН₃. Вместо эндогаза иногда применяют экзо-эндотермическую атмосферу, содержащую 20 % (объемн.) Н₂, 20 % (объемн.) СО и 60 % (объемн.) что повышает сопротивление хрупкому разрушению и предел выносливости обрабатываемых изделий.

После нитроцементации следует закалка непосредственно из печи, реже после повторного нагрева, применяют и ступенчатую закалку. После закалки проводят отпуск при 160-180 °С.

При оптимальных условиях насыщения структура нитроцементованного слоя должна состоять из мелкокристаллического мартенсита, небольшого количества мелких равномерно распределенных карбо- нитридов и 25-30 % остаточного аустенита.

Твердость слоя после закалки и низкого отпуска НЯС 58-60 НУ 570-690 (5700-6900 МПа). Высокое содержание остаточного аустенита обеспечивает хорошую прирабатываемость, например не шлифуемых автомобильных шестерен, что обеспечивает их бесшумную работу. Максимальные показатели прочности достигаются только при оптимальном для данной стали содержании на поверхности нитроцементованного слоя углерода и азота.

Азота в слое должно быть не меньше того количества, которое устраняет вредные последствия внутреннего окисления (>>0,1-015%). При высоком содержании азота (0,4-0,5 %) в слое образуется так называемая темная составляющая, которая обнаруживается на поверхности в виде темной точечной сетки. Темная составляющая представляет собой поры, заполненные графитом, или по другим данным в зоне дефекта образуется оксикарбонитридная фаза или сложные окислы типа шпинели. Темная составляющая снижает предел выносливости стали на 30-70 % и контактную выносливость в 5-6 раз. Оптимальное содержание углерода в сумме С + N зависит от марки стали и колеблется в широких пределах (1,0-1,65 %) . При низкой концентрации углерода в структуре слоя по границам зерен мартенсита появляется троостит. При высоком содержании углерода в стали, содержащей Сr, Мn, Ti, V образуются карбонитриды, располагающиеся преимущественно по границам зерен в виде сплошной или разорванной сетки. Переход углерода и легирующих элементов в карбонитриды понижает устойчивость аустенита, что также ведет к образованию в слое троостита. Образование сетки карбонитридов и троостита снижает предел выносливости, пластичность и вязкость стали.

Толщина нитроцементованного слоя составляет обычно 200- 800 мкм. Она не должна превышать 1000 мкм. При большей толщине в нем образуется темная составляющая и другие дефекты, снижающие механические свойства стали.

Нитроцементации обычно подвергают детали сложной конфигурации, склонные к короблению. Нитроцементация имеет следующие преимущества по сравнению с газовой цементацией. Процесс происходит при более низкой температуре (840-860 °С вместо 910-930 °С): толщина слоя меньше; получаются меньшие деформации и коробление деталей; повышается сопротивление износу и коррозии.

Нитроцементацию широко применяют на автомобильных и тракторных заводах. Так, на ВАЗе 94,5 % деталей, проходящих химикотермическую обработку, подвергают нитроцементации.

сталь термическое деформационное старение



Список используемой литературы

1. Специальные стали. Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г.

2-е изд. - переработанное и дополненое, 1999. - 408 с.

2. Металловедение. Гуляев А.П.

Учебник для вузов. 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1986. - 544 с.

3. Металловедение и термическая обработка металлов. Лахтин Ю. М.

3-е изд. - М.: Машиностроение, 1983. - 359 с.

4. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Минкевич А.Н.

Изд. 2-е перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1965. - 493 с.

Размещено на Allbest.ru

...