Классификация металлов и сплавов (с примерами марок железоуглеродистых и цветных сплавов): Каждый металл отличается строением и свойствами от другого, тем не менее, по некоторым признакам их можно объединить в группы.Данная классификация разработана русским ученым Гуляевым А.П. и может не совпадать с общепринятой.Все металлы можно разделить на две большие группы – черные и цветные металлы.Черные металлы чаще всего имеют темно-серый цвет, большую плотность (кроме щелочно-земельных), высокую температуру плавления, относительно высокую твердость. Наиболее типичным металлом этой группы является железо. Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску: красную, желтую и белую. Обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления. Наиболее типичным элементом этой группы является медь. Цветные металлы подразделяются на:1. Легкие металлы – Ве(берилий), Mg(магний), Al(аллюминий), обладающие малой плотностью. 2. Благородные металлы – Ag(серебро), Pt(платина), Au(золото), Pd(палладий), Os(осмий), Ir(иридий), и др. Сu – полублагородный металл. Обладают высокой устойчивостью против коррозии. 3. Легкоплавкие металлы – Zn(цинк), Cd(кадмий), Hg(ртуть), Sn(олово), Bi(висмут), Sb(сурьма), Pb(свинец), As(мышьяк), In(индий) и т.д., и элементы с ослабленными металлическими свойствами – Ga(галий), Ge(германий).Применение металлов началось с меди, серебра и золота. Так как они встречаются в природе в чистом (самородном) виде. Позднее стали восстанавливать металлы из руд – Sn, Pb, Fe и др. Наибольшее распространение в технике получили сплавы железа с углеродом: сталь (0,025–2,14% С) чугун (2,14–6,76% С); причина широкого использования Fe-C сплавов связано с рядом причин: малой стоимостью, наилучшими механическими свойствами, возможностью массового изготовления и большой распространенностью руд Fe в природе. Более 90% изготовленных металлов составляет сталь.
Классификация и маркировка углеродистых сталей:По способу производства:а) мартеновская(М);б) конверторная(К);в) бессемеровская(Б); По степени раскисления:а) кипящая(КП);б) полуспокойная(ПС);в) спокойная(СП);По назначению и гарантируемым характеристикам (группы):А - по механическим свойствам;Б - по химическому составу;В - по механическим свойствам и отдельным требованиям к химическому составу.Сталь группы В не может быть изготовлена бессемеровским способом.Примеры марок сталей Ст.0, МСт.2, КСт.1, БСт.6, ВКСт.4.Буквы "Ст." означают сталь; цифры от 0 до 7 - условный порядковый номер марки в зависимости от химического состава стали и механических свойств.Буквы "М", "К", "Б" добавляют перед обозначением марок стали групп Б и В в зависимости от способа выплавки.При обозначении марок стали группы В добавляется буква "В".Для изготовления болтов, гаек, винтов применяют автоматные стали. Они хорошо обрабатываются резанием на больших скоростях. Автоматные стали имеют повышенное содержание S и P. В марке буква "А" означает "сталь автоматная", цифра - среднее содержание С в сотых долях процента. Пример А12, А20.
Свойства металлов и сплавов (физические, химические, механические, технологические, служебные): Физические свойства. К физическим свойствам металлов и сплавов относится температура плавления, плотность, температурный коэфициет линейного и обьёмного расширения, электросопротивление и теплопроводность.Эти свойства сплавов обусловлены их составом и структурой. Кхимическимсвойствам относятся способность металлов к химическому взаимодействию с агрессивными средами (коррозия). Технологические свойства. Определяют способность материала подвергатся различным методам горячей и холодной обработки. К ним относятся: литейные свойства, деформируемость, свариваемость и обрабатываемость режущим инструментом.Эксплуатационные или служебныесвойства. К ним относятся: коррозионная стойкость, холодостойкость, жаропрочность, жаростойкость, антифринционность. Механические свойства. К ним относят – прочность, пластичность, эластичность, вязкость (ударная), твёрдость, выносливость, износостойкость, ползучесть. Внешняя нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию. Напряжение – это нагрузка (сила – Р), отнесённая к площади поперечного сечения образца (F),Мпа: (P- нагрузка, Мн; F – площадь поперечного сечения, м2). Напряжение вызывает деформацию. Деформация – изменение формы и размеров тела под воздействием внешних сил или в результате физико-механических процессов, возникающих в самом теле. Деформация может быть упругая (изчезающая после снятия нагрузки) и пластическаяя (остающаяся после снятия нагрузки). При увеличении нагрузки упругая деформация переходит в пластическую; при дальнейшем повышении нагрузки происходит разрушение тела. Прочность – это способность твердого тела сопротивлятся деформации или разрушению под действием статистических или динамических нагрузок. Пластичность – это способность материала получать остаточное изменение формы и размеров без разрушения. Вязкость – свойство материала, которое определяет его способность к поглашению механической энергии при постепенном увеличении пластической деформации вплоть до разрушения материала.
Атомно-кристаллическое строение металлов и сплавов: Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов, существующее в кристалле. Кристалл состоит из атомов (ионов), расположенных в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях.В кристаллах существует не только ближний, но и дальний порядок размещения атомов, т. е. упорядоченное расположение частиц в кристалле сохраняется на больших участках кристаллов.Для описания атомно-кристаллической структуры пользуются понятием пространственной или кристаллической решетки.Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие металл (твердое кристаллическое тело).Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла во всем объеме, получил название элементарной кристаллической ячейки.
Подавляющее число технически важных металлов образуют одну из следующих решеток: кубическую объемно-центрированную, кубическую гранецентрированную и гексагональную (рис. 4).В кубической объемно-центрированной решетке атомы расположены в узлах ячейки и один атом — в центре объема куба (рис. 4, а). Кубическую объемно-центрированную решетку имеют металлы: ое-железо, хром, ниобий, вольфрам, ванадий и др.В кубической гранецентрированной решетке атомы расположены в углах куба и в центре каждой грани (рис. 4, б). Этот тип решетки имеют металлы: железо, никель, медь, золото и др. В гексагональной решетке (рис. 4, в) атомы расположены в углах и центре шестигранных оснований призмы и три атома в средней плоскости призмы. Эту упаковку атомов имеют металлы: магний, цинк и др.
Некоторые металлы имеют тетрагональную решетку.Размеры кристаллической решетки характеризуются величинами периодов, под которыми понимают расстояние между ближайшими параллельными атомными плоскостями, образующими элементарную ячейку (рис. 4). Период решетки измеряется в ангстремах (А) (1А=1—8 см).Период решетки металлов находится в пределах от 1 до 7 А. Атомно-кристаллическое строение сплавов:Все металлы делятся на две большие группы - цветные и черные. Черные металлы – это железо и его сплавы (сталь, чугун). Цветные металлы – это металлы Al, Cu, Mg, V и др. Металлы обладают рядом характерных свойств:1. имеют металлический блеск;2. способность к пластической деформации;3. высокой тепло- и электропроводностью;4. имеют кристаллическое строение. Атомы располагаются закономерно и периодически, образуя кристаллическую решетку – воображаемую пространственную сетку, в узлах которой располагаются атомы. Каждый атом в решетке находится в одинаковом окружении, т.е. имеет вокруг себя одинаковое количество атомов, находящихся на равном расстоянии. Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла в любом объеме называется элементарной ячейкой. Решетка построена из регулярно повторяющихся «кирпичиков» – самых малых ее элементов (элементарных ячеек). Характеристики кристаллических решеток Строение и свойства кристаллических решеток характеризуется следующими параметрами:Период (параметр) решетки – расстояние по ребру элементарной ячейки между центрами соседних атомов, находящихся в кристаллической решетки. Обозначается: a, b, c; измеряется в ангстремах (1 =10-10 м =0,1нм). В кубической системе период равен от 2 до 7 , (в некоторой литературе период для большинства металлов – от 0,1 до 0,7 нм).
Координационное число К – показывает сколько атомов находится на наиболее близком и равном расстоянии от данного атома. Чем больше К, тем больше плотность упаковки.
Базис решетки – количество атомов, принадлежащих данной элементарной ячейке, характеризует плотность решетки.
Коэффициент компактности – отношение объема, занимаемого атомами ко всему объему решетки . Также характеризует плотность решетки.
Полиморфные превращения. Полиморфизм железа: Полиморфизм железа. Из рис. 3, видно, что в интервале температур 911 – 1392°С устойчивым является γ-железо (К 12) (имеет min свободную энергию), а при температурах ниже 911°С и выше 1392°С устойчиво α-железо (К 8).В твердом металле полиморфные превращения происходят в результате зарождения и роста кристаллов аналогично кристаллизации из жидкого состояния. Зародыши новой модификации наиболее часто возникают на границах зерна исходных кристаллов. В результате полиморфного превращения образуется новые кристаллические зерна, имеющие другой размер и форму, поэтому превращение также называют перекристаллизацией.Полиморфное превращение сопровождается скачкообразным изменением всех свойств металлов и сплавов: удельного объема, теплоемкости, теплопроводности, электропроводности, магнитных свойств, механических и химических свойств и т.д.
Понятия – компонент, фаза, структура для металлических сплавов: Фазой называется однородная часть сплава, обладающая одинаковым химическим составом, строением и имеющая границы раздела с другими фазами, при переходе через которые свойства сплава резко меняются. Например, жидкий металл является однофазной системой. В процессе кристаллизации система состоит уже из двух фаз: жидкой и твердой. При этом свойства фаз значительно различаются. Фазами могут быть отдельные металлы или неметаллы, химические и другие соединения. Под структурой понимается строение металла, т. е. количество фаз, их форма и размер, а также взаимное расположение. Структурными составляющими сплава называются обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями. Структурные составляющие могут состоять из одной, двух или более фаз.
Твердые растворы, их разновидности исвойства: Твёрдые растворы — фазы переменного состава, в которых атомы различных элементов расположены в общей кристаллической решётке.Могут быть неупорядоченными (с хаотическим расположением атомов), частично или полностью упорядоченными. Экспериментально упорядоченность определяют, главным образом, рентгеновским структурным анализом. Способность образовывать твёрдые растворы свойственна всем кристаллическим твёрдым телам. В большинстве случаев она ограничена узкими пределами концентраций, но известны системы с непрерывным рядом твёрдых растворов (например, Cu—Au, Ti—Zr, GaAs—GaP). По существу, все кристаллические вещества, считающиеся чистыми, представляют собой твёрдые растворы с очень малым содержанием примесей.Различают три вида твёрдых растворов: твёрдые растворы замещения;твёрдые растворы внедрения;твёрдые растворы вычитания. Согласно полуэмпирическим правилам Юм-Розери, непрерывный ряд твёрдых растворов замещения в металлических системах образуются лишь теми элементами, которые, во-первых, имеют близкие по размерам атомные радиусы (отличающиеся не более чем на 15 %) и, во-вторых, находятся не слишком далеко друг от друга в электрохимическом ряду напряжений. При этом элементы должны иметь один и тот же тип кристаллической решётки. В твёрдых растворах на основе полупроводников и диэлектриков, благодаря более «рыхлым» кристаллическим решёткам образование твёрдых растворов замещения возможно и при большем различии атомных радиусов.Если атомы компонентов существенно различаются по размерам или электронной структуре, возможно внедрение атомов одного элемента в междоузлия решётки, образованной другим элементом. Подобные твёрдые растворы часто образуются при растворении неметаллов (B, H2, O2, N2, C) в металлах.Твёрдые растворы вычитания, возникающие за счёт появления в кристаллической решётке вакантных узлов, образуются при растворении одного из компонентов в химическом соединении и характерны для нестехиометрических соединений.Природные минералы часто представляют собой твёрдые растворы (см. Изоморфизм в кристаллах). Образование твёрдых растворов при легировании элементов и соединений имеет большое значение в производстве сплавов, полупроводников, керамики, ферритов.Твёрдые растворы — основа всех важнейших конструкционных и нержавеющих сталей, бронз, латуней, алюминиевых и магниевых сплавов высокой прочности. Свойства твёрдых растворов регулируют их составом, термической или термомеханической обработкой. Легированные полупроводники и многие сегнетоэлектрики, являющиеся основой современной твердотельной электроники, также являются твёрдыми растворами.При распаде твёрдых растворов сплавы приобретают новые свойства. Наиболее ценными качествами обладают сплавы с очень тонкой неоднородностью — так называемые дисперсионно-твердеющие, или стареющие твёрдые растворы. Дисперсионное твердение может наблюдаться и при распаде твёрдых растворов на основе соединений, например, нестехиометрических шпинелей.
Закономерности процесса кристаллизации металлов. Связь между скоростью охлаждения и величиной зерна. Сущность процесса модифицирования:При соответствующем понижении температуры в жидком металле начинают образовываться кристаллики – центры кристаллизации или зародыши. Для начала их роста необходимо уменьшение свободной энергии металла, в противном случае зародыш растворяется.Минимальный размер способного к росту зародыша называется критическим размером, а зародыш – устойчивым.Переход из жидкого состояния в кристаллическое требует затраты энергии на образование поверхности раздела жидкость – кристалл. Процесс кристаллизации будет осуществляться, когда выигрыш от перехода в твердое состояние больше потери энергии на образование поверхности раздела. Зависимость энергии системы от размера зародыша твердой фазы представлена на рис. 3.3.Зародыши с размерами равными и большими критического растут с уменьшением энергии и поэтому способны к существованию.
Влияние переохлаждения на процесс кристаллизации
Скорость процесса кристаллизации и строение металла после затвердевания зависят от числа зародышей ч.з. (центров кристаллизации), возникающих в единицу времени и в единице объема, то есть от скорости образования зародышей [1/см3с] и скорости роста с.р. зародышей (увеличения линейных размеров растущего зародыша в единицу времени (мм/с).Чем больше скорость образования зародышей и чем больше скорость их роста, чем выше эти факторы, тем быстрее протекает процесс кристаллизации.
Диаграмма состояния железо-цементит. Фазы, структуры и превращения в железоуглеродистых сплавах:
Структуры железоуглеродистых сплавов Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны – важнейшие металлические сплавы современной техники. Производство чугуна и стали по объему превосходит производство всех других металлов вместе взятых более чем в десять раз.Диаграмма состояния железо – углерод дает основное представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов.Начало изучению диаграммы железо – углерод положил Чернов Д.К. в 1868 году. Чернов впервые указал на существование в стали критических точек и на зависимость их положения от содержания углерода.Диаграмма железо – углерод должна распространяться от железа до углерода. Железо образует с углеродом химическое соединение: цементит – . Каждое устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, а диаграмму – по частям. Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до , то рассматриваем часть диаграммы состояния от железа до химического соединения цементита, содержащего углерода.Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов.Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит.1. Железо – переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления – 1539o С 5o С.В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911o С и 1392o С. При температуре ниже 911o С существует с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392o С устойчивым является с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392o С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называется или высокотемпературное . Высокотемпературная модификация не представляет собой новой аллотропической формы. Критическую температуру 911oС превращения обозначают точкой , а температуру 1392o С превращения - точкой А4..При температуре ниже 768o С железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно. Точка Кюри железа 768o С обозначается А2.Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности – , предел текучести – ) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение – , а относительное сужение – ). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна.Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.2. Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500 0С, плотность – 2,5 г/см3) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 5000 0С).В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe3C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).3. Цементит (Fe3C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу.Температура плавления цементита точно не установлена (1250, 1550o С). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217o С.Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки.Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.В системе железо – углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит.1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.2. Феррит (Ф)(C) – твердый раствор внедрения углерода в -железо.Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную – 0,02 % при температуре 727o С ( точка P). Углерод располагается в дефектах решетки.При температуре выше 1392o С существует высокотемпературный феррит ( ) ( (C), с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499o С (точка J)Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 130 НВ, предел прочности – ) и пластичен (относительное удлинение – ), магнитен до 768o С.3. Аустенит (А)(С) – твердый раствор внедрения углерода в -железо.Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки.Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,8 % при температуре 727o С (точка S), максимальную – 2,14 % при температуре 1147o С (точка Е).Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен (относительное удлинение – ), парамагнитен.При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.4. Цементит – характеристика дана выше.В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (ЦI), цементит вторичный (ЦII), цементит третичный (ЦIII). Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.
Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества: Стали обыкновенного качества выпускают в виде проката (прутки, балки, листы, уголки, трубы, швеллеры и т.п.) в нормализованном состоянии и в зависимости от назначения и комплекса свойств подразделяют на группы: А, Б, В.
Стали маркируются сочетанием букв Ст и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки, а не среднее содержание углерода в ней, хотя с повышением номера содержание углерода в стали увеличивается. Стали групп Б и В имеют перед маркой буквы Б и В, указывающие на их принадлежность к этим группам. Группа А в обозначении марки стали не указывается. Степень раскисления обозначается добавлением индексов: в спокойных сталях - «сп», полуспокойных - «пс», кипящих - «кп», а категория нормируемых свойств (кроме категории 1) указывается последующей цифрой. Спокойными и полуспокойными производят стали Ст1 - Ст6 , кипящими - Ст1 - Ст4 всех трех групп. Сталь Ст0 по степени раскисления не разделяют.
Стали группы А используют в состоянии поставки для изделий, изготовление которых не сопровождается горячей обработкой. В этом случае они сохраняют структуру нормализации и механические свойства, гарантируемые стандартом.
Сталь марки Ст3 используется в состоянии поставки без обработки давлением и сваркой. Ее широко применяют в строительстве для изготовления металлоконструкций. Стали группы Б применяют для изделий, изготавливаемых с применением горячей обработки (ковка, сварка и в отдельных случаях термическая обработка), при которой исходная структура и механические свойства не сохраняются. Для таких деталей важны сведения о химическом составе, необходимые для определения режима горячей обработки.
Стали группы В дороже, чем стали групп А и Б, их применяют для ответственных деталей (для производства сварных конструкций).
Углеродистые стали обыкновенного качества (всех трех групп) предназначены для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин и приборов. Эти стали, используются, когда работоспособность деталей и конструкций обеспечивается жесткостью. Углеродистые стали обыкновенного качества широко используются в строительстве при изготовлении железобетонных конструкций. Способностью к свариванию и к холодной обработке давлением отвечают стали групп Б и В номеров 1-4, поэтому из них изготавливают сварные фермы, различные рамы и строительные металлоконструкции, кроме того, крепежные изделия, часть из которых подвергается цементации.
Среднеуглеродистые стали номеров 5 и 6, обладающие большой прочностью, предназначаются для рельсов, железнодорожных колес, а также валов, шкивов, шестерен и других деталей грузоподъемных и сельскохозяйственных машин. Некоторые детали из этих сталей групп Б и В подвергаются термической обработке - закалке с последующим высоким отпуском.
В машиностроении углеродистые качественные стали, используются для изготовления деталей разного, чаще всего неответственного назначения и являются достаточно дешевым материалом. В промышленность эти стали поставляются в виде проката, поковок, профилей различного назначения с гарантированным химическим составом и механическим свойствами.
Углеродистые конструкционные качественные стали: В машиностроении применяют углеродистые качественные стали, поставляемые по ГОСТ 1050-88. Маркируются эти стали двузначными цифрами: сталь 05, 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента.
Спокойные стали маркируют без индекса, полуспокойные и кипящие - с индексом соответственно «пс» и «кп». Кипящие стали производят марок 05кп, 08кп, 10кп, 15кп, 20кп, полуспокойные - 08пс, 10пс, 15пс, 20пс.
Качественные стали широко применяются в машиностроении и приборостроении, так как за счет разного содержания углерода в них, а соответственно и термической обработки можно получить широкий диапазон механических и технологических свойств.
Низкоуглеродистые стали 05кп, 08кп, 10кп, 15кп, 20кп отличаются малой прочностью и высокой пластичностью в холодном состоянии. Эти стали в основном производят в виде тонкого листа и используют после отжига или нормализации для холодной штамповки с глубокой вытяжкой. Они легко штампуются из-за малого содержания углерода и незначительного количества кремния, что и делает их очень мягкими. Их можно использовать в автомобилестроении для изготовления деталей сложной формы. Глубокая вытяжка из листа этих сталей применяется при изготовлении консервных банок, эмалированной посуды и других промышленных изделий.
Спокойные стали 08, 10 применяют в отожженном состоянии для конструкций невысокой прочности - емкости, трубы и т. д.
Стали 10, 15, 20 и 25 также относятся к низкоуглеродистым сталям, они пластичны, хорошо свариваются и штампуются. В нормализованном состоянии в основном их используют для крепежных деталей - валики, оси и т. д.
Для увеличения поверхностной прочности этих сталей их цементуют (насыщают поверхность углеродом) и применяют для деталей небольшого размера, например слабонагруженных зубчатых колес, кулачков и т. д.
Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50 и аналогичные стали с повышенным содержанием марганца 30Г, 40Г и 50Г в нормализованном состоянии отличаются повышенной прочностью, но соответственно меньшей вязкостью и пластичностью. В зависимости от условий работы деталей из этих сталей к ним применяют различные виды термообработки: нормализацию, улучшение, закалку с низким отпуском, закалку ТВЧ и др.
Среднеуглеродистые стали применяют для изготовления небольших валов, шатунов, зубчатых колес и деталей, испытывающих циклические нагрузки. В крупногабаритных деталях больших сечений из-за плохой прокаливаемости механические свойства значительно снижаются.
Углеродистые инструментальные стали: сталь с содержанием углерода от 0,7 % и выше. Эта сталь отличается высокой твёрдостью и прочностью (после окончательной термообработки) и применяется для изготовления инструмента. Инструментальная углеродистая сталь делится на качественную и высококачественную. Содержание серы и фосфора в качественной инструментальной стали — 0,03 % и 0,035 %, в высококачественной — 0,02 % и 0,03 % соответственно.Выпускается по ГОСТ 1435-99 следующих марок: У7; У8; У8Г; У9; У10; У11; У12; У13; У7А; У8А; У8ГА; У9А; У10А; У11А; У12А; У13А. Стандарт распространяется на углеродистую инструментальную горячекатаную, кованую, калиброванную сталь, серебрянку.К группе качественных сталей относятся марки стали без буквы А(в конце маркировки), к группе высококачественных сталей, более чистых по содержанию серы и фосфора, а также примесей других элементов — марки стали с буквой А. Буквы и цифры в обозначении этих марок стали означают: У — углеродистая, следующая за ней цифра — среднее содержание углерода в десятых долях процента, Г — повышенное содержание марганца.Достоинство углеродистых инструментальных сталей состоит в основном в их малой стоимости и достаточно высокой твёрдости по сравнению с другими инструментальными материалами. К недостаткам следует отнести малую износостойкость и низкую теплостойкость.
Структура,свойства, маркировка и применение серых чугунов: Структура чугуна не оказывает влияние на пластичность, она остается чрезвычайно низкой. Но оказывает влияние на твердость. Механическая прочность в основном определяется количеством, формой и размерами включений графита. Мелкие, завихренной формы чешуйки графита меньше снижают прочность. Такая форма достигается путем модифицирования. В качестве модификаторов применяют алюминий, силикокальций, ферросилиций.Серый чугун широко применяется в машиностроении, так как легко обрабатывается и обладает хорошими свойствами. Серые чугуны при малом сопротивлении растяжению имеют достаточно высокое сопротивление сжатию.Механические свойства металлов. Механические свойства сталей. Механические свойства сплавов.В зависимости от прочности серый чугун подразделяют на 10 марок (ГОСТ 1412).Серые чугуны содержат углерода – 3,2…3,5 %; кремния – 1,9…2,5 %; марганца – 0,5…0,8 %; фосфора – 0,1…0,3 %; серы – < 0,12 %.Структура металлической основы зависит от количества углерода и кремния. С увеличением содержания углерода и кремния увеличивается степень графитизации и склонность к образованию ферритной структуры металлической основы. Это ведет к разупрочнению чугуна без повышения пластичности. Лучшими прочностными свойствами и износостойкостью обладают перлитные серые чугуны.Учитывая малое сопротивление отливок из серого чугуна растягивающим и ударным нагрузкам, следует использовать этот материал для деталей, которые подвергаются сжимающим или изгибающим нагрузкам. В станкостроении это – базовые, корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, направляющие; в автостроении — блоки цилиндров, поршневые кольца, распределительные валы, диски сцепления. Отливки из серого чугуна также используются в электромашиностроении, для изготовления товаров народного потребления. Классификация чугунов. Маркировка чугунов.Обозначаются индексом СЧ (серый чугун) и числом, которое показывает значение предела прочности, умноженное на 10-1 СЧ15.
Структура,свойства, маркировка и применение ковких чугунов: КЧ получают длительным нагревом при высоких температурах (отжигом) отливок из белого чугуна. В результате отжига образуется графит хлопьевидной формы. Такой графит по сравнению с пластинчатым меньше снижает прочность и пластичность неметаллической основы структуры чугуна.Металлическая основа ковкого чугуна (КЧ): феррит и реже перлит. Наибольшая пластичность у ферритного ковкого чугуна.Химический состав белого чугуна отжигаемого на ковкий чугун (КЧ): 2,5-3,0% С; 0,7-1,5% Si; 0,3-1,0% Mn; ?0,12% S и ?0,18% Р. Такой чугун имеет пониженное содержание углерода и кремния. Толщина отливки не более 40-50 мм. Отжиг проводят в две стадии.Исходная структура отливки - белый доэвтектический чугун: П + Л + ЦII.Отливка упакованная в ящике нагревается и выдерживается при 950-970о (до 1000оС). В этот период протекает I стадия графитизации. Выше линии PSK фазовый состав сплава: А+Ц, цементит при этих температурах распадается диффузионным путем, образуя хлопьевидный графит (углерод отжига).Затем если отливку охладить несколько ниже линии PSK (эвтектоидный интервал) и сделать длительную выдержку, то цементит вторичный (ЦII) (выделившийся из А) и цементит перлитный также распадется, что приведет к росту хлопьевидных графитных включений (II стадия графитизации). После окончания II стадии графитизации структура чугуна состоит из феррита и хлопьевидного графита.Излом ферритного чугуна бархатисто черный вследствие большого количества графита.Если не проводить выдержки ниже эвтектоидной температуры (PSK), то образуется перлитный ковкий чугун со структурой - П+Гр, имеющий светлый (сталистый) излом.При промежуточной скорости охлаждения и выдержке, структура ковкого чугуна будет - П+ Ф+ Гр.Ковкий чугун маркируют буквами - КЧ (ГОСТ 12.15) и цифрами. Первые две цифры указывают предел прочности при растяжении и вторые - относительное удлинение (%).Отливки из КЧ применяют для деталей, работающих при ударных вибрационных нагрузках.Ковкий чугун на ферритной основе.КЧ37-12, КЧ35-10;КЧ37-12 (ув = 370 н/мм2 (МПа), д = 12 %).Применяют для изготовления деталей работающих при высоких динамических и статистических нагрузках (картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы и т.д.).КЧ30-6, КЧ33-8 - менее ответственные детали (головки, хомутики, гайки, глушители, фланцы, муфты и т.п.).Твердость ферритного ковкого чугуна - НВ163.Ковкий чугун на феррито-перлитной основе.КЧ45-6 (ув = 450 н/мм2 (МПа), д = 6 %).Применяют для изготовления тонкостенных отливок.Антифрикционные КЧ на феррито-перлитной основе маркируются: АКЧ-1, АКЧ-2.Ковкий чугун на перлитной основе.КЧ50-4, КЧ56-4, КЧ60-3, КЧ63-2;КЧ63-2 (ув = 630 н/мм2 (МПа), д = 2 %).Применяют для изготовления деталей, которые обладают высокой прочностью, умеренной пластичностью, хорошими антифрикционными свойствами. Твердость НВ 241-269. Изготавливают: вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, втулки, муфты, тормозные колодки и т.д.
Структура,свойства, маркировка и применение высокопрочных чугунов: Высокопрочный чугун. В высокопрочном чугуне графитовые включения имеют шаровидную форму. Это достигается модифицированием чугуна магнием до 0,5 % от массы чугуна. Шаровидная форма графита определяет наибольшую сложность металлической основы и не создает резкой концентрации напряжений, поэтому чугун имеет высокую прочность при растяжении и изгибе. Из высокопрочного чугуна изготавливают ответственные детали машин (коленчатые валы, зубчатые колеса, поршни и др.). Высокопрочный чугун, так же как и серый, подразделяют на ряд марок в зависимости от механических свойств, причем основными показателями служат предел прочности при растяжении и относительное удлинение. Механические свойства зависят от структуры металлической основы, которая может быть перлитная, феррито-перлитная и ферритная. Лучшей структурой является структура, состоящая из перлита и шаровидного графита, окруженного небольшими островками феррита. Маркируется высокопрочный чугун по ГОСТ 7293—79 (всего по ГОСТу 10 марок) буквами ВЧ и цифрами, из которых первые две обозначают предел прочности при растяжении, а последние - относительное удлинение в процентах. Например, марка ВЧ42-12 показывает, что чугун данной марки имеет Gв =412МПа и б= 12 %.
Легирующие элементы в сталях. Влияние на свойства сталей: Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Wo, V, А1, В, Ti и др.), а также Мn и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15...20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых сталей. Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15-20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых.Все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости.
Легированные конструкционные стали. Примеры марок сталей для изготовления деталей машин и механизмов: Легированные стали в зависимости от содержания в них серы и фосфора подразделяются на:качественные,высококачественные иособо высококачественные.Легированные стали маркируют буквами и цифрами, указывающими их химический состав. Первые две цифры показывают содержание углерода (для конструкционных сталей в сотых долях процента, для инструментальных – в десятых долях), затем ставится буква, указывающая легирующий элемент. После буквы следует цифра, соответствующая среднему содержанию этого элемента в процентах. Если содержание легирующего элемента составляет менее или около 1%, то за буквой цифра не ставится.Легирующие элементы обозначаются следующими буквами:А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, К – кобальт, М – молибден, Н – никель, П – фосфор, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ю – алюминий, Ч – редкоземельные металлы и другие.Например, фланцы из жаропрочной стали 15Х5М содержат 0,15% С, 5% хрома, молибдена – в пределах 1%. Крепежные изделия из стали марки 20ХН3А содержат 0,20% С, до 1,0%Сr, 3% Ni. Как нами уже было сказано, буква А в конце марки стали обозначает высококачественную сталь. В то же время если буква А расположена в середине марки стали, то это указывает на наличие в ней азота как легирующего элемента.В качестве основных легирующих элементов в сталях при производстве фланцев применяют Сr (до 20%), Ni (1-18%), Мn (до 2%), Si (0,6-1,2%). Такие легирующие элементы, как молибден, марганец, вольфрам и титан обычно вводят в сталь в сочетании с хромом и никелем с целью дополнительного улучшения ее физико-механических свойств. В таких сталях эти элементы обычно содержатся в следующих количествах, % : молибден 0,2…3%; титан 0,1…2%. В различных легированных сталях содержание указанных элементов может быть значительно выше.В зависимости от входящих в состав сталей легирующих элементов их называют хромистыми, хромоникилиевые, молибденосодержащими (фланцы из стали марки 10Х17Н13М3Т) и т.д. Например, производятся нержавеющие фланцы из стали 12Х18Н10Т,которая является хромникилиевым сплавом. В начале марки сталей иногда ставят буквы, указывающие на их применение: А – автоматные стали, Р – быстрорежущие, Ш – шарикоподшипниковые, Э – электротехнические, Е – магнитно-твердые.Все высоколегированные стали содержат минимальное количество вредных примесей и являются высококачественными, поэтому в конце обозначения их марки буква А не ставится (08Х18Н9Т). Высокая чистота сплавов достигается дополнительной обработкой их специальными методами, которые отражены буквами в конце наименования марки стали: Ш – электрошлаковый переплав (применяется успешно на производстве ООО «Инженерный Союз» для изготовления фланцев больших диаметров до 3000 мм), ВД – вакуумно-дуговой переплав, СШ – обработка синтетическими шлаками. Примером обозначения особо высококачественной высоколегированной стали являются стали марки 10Х17Н13М2Т, 12Х18Н10Т, 18Х12ВМБФР, 20Х1М1Ф1ТР, 45Х14Н14В2М, 06ХН28МДТ и т.д.
Легированные конструкционные стали. Примеры марок сталей для режущего инструмента и штампов: 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 HRCЭ) и износостойкостью — способностью длительное время сохранять режущие свойства кромки в условиях трения.Вместе с тем, режущий инструмент должен обладать высокой прочностьюи достаточной вязкостью, чтобы сохранять форму режущей кромки и сопротивляться разрушению при изгибающем (резцы) и крутящем (сверла) моментах и динамических нагрузках.В процессе резания происходит нагрев режущей кромки инструмента. Поэтому основным требованием, предъявляемым к инструментальным материалам, является высокая теплостойкость (красностойкость) — способность сохранять твердость и режущие свойства при длительном нагреве в процессе работы.По теплостойкости применяемые материалы подразделяются на: углеродистые и низколегированные стали с теплостойкостью до 200 °С (нетеплостойкие); среднелегированные стали с теплостойкостью до 400–500 °С (полутеплостойкие);высоколегированные быстрорежущие стали с теплостойкостью до 600–640 °С (теплостойкие);твердые сплавы с теплостойкостью до 800–1000 °С;особотвердые материалы с теплостойкостью до 1200 °С.Легированные сталиВ данном пункте будут рассмотрены только низко- и среднелегированные стали. Эти стали подразделяются на стали неглубокой и глубокой прокаливаемости. В отдельную группу можно выделить стали для ударных инструментов [1]. Химический состав данных сталей по ГОСТ 5950–73 приведен в табл.Марки и химический состав (масс. %) легированных инструментальных сталей(ГОСТ 5950–73)
| Марка стали | Углерод | Кремний | Марганец | Хром | Вольфрам | Ванадий | Молибден |
| Стали неглубокой прокаливаемости | |||||||
| 8ХФ | 0,70–0,80 | 0,10–0,40 | 0,15–0,45 | 0,40–0,70 | – | 0,15–0,30 | – |
| 9ХФ | 0,80–0,90 | 0,15–0,35 | 0,30–0,60 | 0,40–0,70 | – | 0,15–0,30 | – |
| 9ХФМ | 0,80–0,90 | 0,15–0,35 | 0,30–0,60 | 0,40–0,70 | – | 0,15–0,30 | 0,15–0,25 |
| 11ХФ | 1,05–1,15 | 0,15–0,35 | 0,40–0,70 | 0,40–0,70 | – | 0,15–0,30 | – |
| 13Х | 1,25–1,40 | 0,10–0,40 | 0,15–0,45 | 0,40–0,70 | – | – | – |
| ХВ4Ф | 1,25–1,45 | 0,15–0,35 | 0,15–0,40 | 0,40–0,70 | 3,50–4,30 | 0,15–0,30 | – |
| В2Ф | 1,05–1,22 | 0,10–0,40 | 0,15–0,45 | 0,20–0,40 | 1,60–2,00 | 0,15–0,30 | – |
| Стали глубокой прокаливаемости | |||||||
| 9Х1 | 0,80–0,95 | 0,25–0,45 | 0,15–0,40 | 1,40–1,70 | – | – | – |
| Х | 0,95–1,10 | 0,10–0,40 | 0,15–0,45 | 1,30–1,65 | – | – | – |
| 12Х1 | 1,15–1,25 | 0,15–0,35 | 0,30–0,60 | 1,30–1,65 | – | – | – |
| 9ХС | 0,85–0,95 | 1,20–1,60 | 0,30–0,60 | 0,95–1,25 | – | – | – |
| ХГС | 0,95–1,05 | 0,40–0,70 | 0,85–1,25 | 1,30–1,65 | – | – | – |
| 9ХВГ | 0,85–0,95 | 0,15–0,35 | 0,90–1,20 | 0,50–0,80 | 0,50–0,80 | – | – |
| ХВГ | 0,90–1,05 | 0,10–0,40 | 0,80–1,10 | 0,90–1,20 | 1,20–1,60 | – | – |
| ХВСГФ | 0,95–1,05 | 0,65–1,00 | 0,60–0,90 | 0,60–1,10 | 0,50–0,80 | 0,05–0,15 | – |
| 9Г2Ф | 0,85–0,95 | 0,10–0,40 | 1,70–2,20 | – | – | 0,10–0,30 | – |
| Стали для ударных инструментов | |||||||
| 4ХС | 0,35–0,45 | 1,20–1,60 | 0,15–0,40 | 1,30 –1,60 | – | – | – |
| 6ХС | 0,60–0,70 | 0,60–1,00 | 0,15–0,40 | 1,00–1,30 | – | – | – |
| 5ХВ2СФ | 0,45–0,55 | 0,80–1,10 | 0,15–0,45 | 0,90–1,20 | 1,80–2,30 | 0,15–0,30 | – |
| 6ХВ2С | 0,55–0,65 | 0,50–0,80 | 0,15–0,40 | 1,00–1,30 | 2,20–2,70 | – | – |
| 6ХВГ | 0,55–0,70 | 0,15–0,35 | 0,90–1,20 | 0,50 –0,80 | 0,50–0,80 | – | – |
| 6Х3МФС | 0,55–0,62 | 0,35–0,65 | 0,20–0,60 | 2,60–3,30 |
Примечание. В обозначении марок первые цифры означают массовую долю углерода в десятых долях процента. Они могут не указываться, если массовая доля углерода близка к единице или больше единицы. Буквы означают: Г — марганец, Х — хром, В — вольфрам, С — кремний, Ф — ванадий, Н — никель, М — молибден. Цифры, стоящие после букв означают среднюю массовою долю соответствующего легирующего элемента в целых единицах. Отсутствие цифр означает, что массовая доля этого легирующего элемента равна » 1 %. В отдельных случаях массовая доля легирующих элементов не указывается, если она не превышает 1,8 %.
Быстрорежущие стали. Термообработка быстрорежущих сталей: Стали получили свое название за свойства. В следствии высокой теплостойкости (550…650oС), изготовленные из них инструменты могут работать с достаточно высокими скоростями резания. Стали содержат 0,7…1,5 % углерода, до 18 % основного легирующего элемента – вольфрама, до 5 % хрома и молибдена, до 10 % кобальтаДобавление ванадия повышает износостойкость инструмента, но ухудшает шлифуемость. Кобальт повышает теплостойкость до 650oС и вторичную твердость HRC 67…70.Микроструктура быстрорежущей стали в литом состоянии имеет эвтектическую структурную составляющую. Для получения оптимальных свойств инструментов из быстрорежущей стали необходимо по возможности устранить структурную неоднородность стали – карбидную ликвацию. Для этого слитки из быстрорежущей стали подвергаются интенсивной пластической деформации (ковке). При этом происходит дробление карбидов эвтектики и достигается более однородное распределение карбидов по сечению заготовки.Термообработка быстрорежущих сталейЗатем проводят отжиг стали при температуре 860…900oС. Структура отожженной быстрорежущей стали – мелкозернистый (сорбитообразный) перлит и карбиды, мелкие эвтектоидные и более крупные первичные. Количество карбидов около 25 %. Сталь с такой структурой хорошо обрабатывается резанием. Подавляющее количество легирующих элементов находятся в карбидной фазе. Для получения оптимальных свойств стали в готовом инструменте необходимо при термической обработке обеспечить максимальное насыщение мартенсита легирующими элементами. При закалке быстрорежущие стали требуют нагрева до очень высоких температур, около 1280oС. Нагрев осуществляют в хорошо раскисленных соляных ваннах BaCl2, что улучшает равномерность прогрева и снижает возможность обезуглероживания поверхности. Для снижения термических фазовых напряжений нагрев осуществляют ступенчато: замедляют нагрев при температурах 600…650oС и при 850…900oС.
Охлаждение от закалочной температуры производится в масле. Структура стали после закалки состоит из легированного, очень тонкодисперсного мартенсита, значительного количества (30…40 %) остаточного аустенита и карбидов вольфрама. Твердость составляет 60…62 HRC. Наличие аустенита остаточного в структуре закаленной стали ухудшает режущие свойства.Для максимального удаления аустенита остаточного проводят трехкратный отпуск при температуре 560oС. При нагреве под отпуск выше 400oС наблюдается увеличение твердости. Это объясняется тем, что из легированного остаточного аустенита выделяются легированные карбиды. Аустенит при охлаждении от температуры отпуска превращается в мартенсит отпуска, что вызывает прирост твердости. Увеличению твердости содействуют и выделившиеся при температуре отпуска мелкодисперсные карбиды легирующих элементов. Максимальная твердость достигается при температуре отпуска 560oС.После однократного отпуска количество аустенита остаточного снижается до 10%. Чтобы уменьшить его количество до минимума, необходим трехкратный отпуск.Твердость стали после отпуска составляет 64…65 HRC. Структура стали после термообработки состоит из мартенсита отпуска и карбидов.При термической обработке быстрорежущих сталей применяют обработку холодом. После закалки сталь охлаждают до температуры — 80 … — 100oС, после этого проводят однократный отпуск при температуре 560oС для снятия напряжений.Иногда для повышения износостойкости быстрорежущих сталей применяют низкотемпературное цианирование.Основными видами режущих инструментов из быстрорежущей стали являются резцы, сверла, долбяки, протяжки, метчики машинные, ножи для резки бумаги. Часто из быстрорежущей стали изготавливают только рабочую часть инструмента.
Рессорно-пружинные стали. Типовая термообработка рессорно-пружинных сталей: Для изготовления пружин и рессор используются как углеродистые, так и легированные стали, обладающие высокой упругостью, выносливостью, достаточной вязкостью и пластичностью
| Химический состав и свойства рессорно-пружинных сталей | |||||||
| Марка стали | Химический состав, % | Термическая обработка, oC(охлаждающая среда - масло) | |||||
| С | Mn | Si | Прочие легирующие элементы | Закалка | Отпуск | ||
| 0,67-0,75 | 0,5-0,8 | 0,17-0,37 | - | ||||
| 65Г | 0,62-0,70 | 0,9-1,2 | 0,17-0,37 | - | |||
| 50С2 | 0,47-0,55 | 0,6-0,9 | 1,5-2,0 | - | |||
| 55С2 | 0,5-0,6 | 0,8-1,0 | 1,3-1,8 | - | |||
| 50ХФА | 0,46-0,54 | 0,5-0,8 | 0,17-0,37 | 0,8-1,1 Cr; 0,2-0,4 V | |||
| 50ХГФА | 0,48-0,55 | 0,8-1,0 | 0,17-0,37 | 0,95-1,2 Cr; 0,15-0,25 V | |||
| 60С2ХА | 0,56-0,64 | 0,4-0,7 | 1,4-1,8 | 0,7-1,0 Cr |
При изготовлении пружин и рессор навивкой или штамповкой в горячем состоянии из отоженных прутков или проволоки углеродистую сталь применяют только в том случае, если пружины рассчитаны на невысокие напряжения, т.к. эта сталь обладает малой прокаливаемостью. Наиболее высокие механические свойства достигаются в процессе холодной протяжки предварительно патентированной проволоки из углеродистой стали с общим обжатием 70-95%; особенно у проволоки малых диаметров (до 2 мм), не уступающей по механическим свойствам патентированной проволоке из легированной стали.
Процесс патентирования, осуществляемый между протяжками, заключается в нагреве проволоки на 50-100oC выше точки Аc3 или Аc1 и охлаждении в горячей ванне с температурой 450-550oC. Эта тонкая пружинная лента из углеродистой стали после изотермической или ступенчатой закалки обладает весьма высокими свойствами. Надежность высоконапряженных пружин обеспечивается, значительной пластичностью, получаемой лишь в легированных сталях. Причем пружины и рессоры, подвергающиеся большому количеству знакопеременных нагрузок в единицу времени, должны работать при напряжениях ниже предела выносливости стали после термической обработки. Предел выносливости рессор значительно повышается после специальной обработки рессорных листов наклепом дробью. При этом срок службы повышается в 5-8 раз.Механические свойства при Т=20oС материала 50ХГ .
| Сортамент | Размер | Напр. | sв | sT | d5 | y | KCU | Термообр. |
| - | мм | - | МПа | МПа | % | % | кДж / м2 | - |
| Пруток | до Æ 80 | Закалка 850oC, масло, Отпуск 470oC, |
Коррозионно-стойкие, жаропрочные и жаростойкие стали: Использованный в названии главы термин «нержавеющая сталь» является собирательным понятием, которое объединяет коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные стали различного назначения.В зависимости от служебных свойств высоколегированную сталь, содержащую 15 – 30% хрома, подразделяют на группы:коррозионностойкая (нержавеющая) – сталь, обладающая стойкостью против электрохимической и химической коррозии (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой), межкристаллитной коррозии, коррозии под напряжением и др.;жаростойкая (окалиностойкая) – сталь, обладающая стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550оС, работающая в ненагруженном или слабонагруженном состоянии;жаропрочная – сталь, способная работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладающая при этом достаточной жаростойкостью.В зависимости от структуры сталь подразделяют на классы: ферритная, мартенситная, аустенитная и аустенито-ферритная.Сведения о химической составе стали перечисленных выше классов приведены в табл.
Перечисленные выше стали экономически целесообразно выплавлять с использованием наиболее дешевых марок высокоуглеродистого феррохрома. В связи с этим производство коррозиоонностойкой, жаростойкой и жаропрочной стали обычно организовано следующим образом. В электропечах с использованием высокоуглеродистого феррохрома, легированного металлического лома и шихтовой заготовки выплавляют полупродукт с высоким содержанием углерода, содержание хрома в котором приближается к верхнему пределу, предусмотренному маркой выплавляемой стали. Полученный полупродукт подвергают обезуглероживанию в конвертерах аргонно-кислородного дутья (AOD-конвертеры) или камерных вакууматорах с продувкой металла кислородом (VOD-процесс, VOD – Vacuum Oxygen Decarburization).
Отжиг стали и его разновидность: Основной фактор, от которого зависит микроструктура стали после отжига 2-го рода, — это степень переохлаждения аустенита. Разновидности отжига 2-го рода различаются главным образом способами охлаждения и степенью переохлаждения аустенита, а также положением температур нагрева относительно критических точек. Необходимая степень переохлаждения аустенита достигается или при непрерывном охлаждении, или при изотермической обработке. На рисунке на примере доэвтектоидной стали схематично изображены режимы охлаждения, соответствующие основным разновидностям отжига 2-го рода: полный (1), изотермический (2), нормализационный (3) отжиг (нормализация) и патентирование (4). Основные разновидности отжига 2-го рода доэвтектоидной стали
К заэвтектоидным сталям применяют сфероидизирующий отжиг и нормализацию.
Охлаждение при отжиге проводят с такой малой скоростью, чтобы аустенит распадался при небольшой степени переохлаждения. Так как в легированных сталях аустенит более склонен к переохлаждению (смотрите рисунок Схематические диаграммы изотермического распада аустенита), то их следует охлаждать при отжиге с меньшей скоростью, чем углеродистые. Если углеродистые стали можно охлаждать при отжиге со скоростью 200 град/ч, то легированные — со скоростью 100 — 30 град/ч. Скорость охлаждения при отжиге можно регулировать, охлаждая печь с закрытой или открытой дверцей, с полностью или частично выключенным обогревом, и перегружая садку в специальную камеру замедленного охлаждения. Так как превращение аустенита при отжиге полностью завершается при температурах значительно выше изгиба С-кривых, то отжигаемые изделия можно выдавать из печи на спокойный воздух при температурах 500 — 600 °С, если не опасны термические напряжения. Если же одной из целей отжига является уменьшение напряжений в детали сложной конфигурации, то следует проводить охлаждение с печью почти до комнатной температуры. Структура доэвтектоидной стали после полного отжига состоит из избыточного феррита и перлита. Основные цели полного отжига следующие: устранение пороков структуры, возникших при предыдущей обработке металла (литье, горячей деформации, сварке и термообработке), смягчение стали перед обработкой резанием и уменьшение напряжений. При литье могут кристаллизоваться крупные зерна аустенита, из которых при охлаждении образуются грубые зерна феррита и перлита. Часто феррит располагается в виде вытянутых кристаллов с определенной ориентировкой— возникает видманштеттова структура, характеризующаяся пониженной ударной вязкостью. Неполный отжиг доэвтектоидной стали проводят при нагреве до температур выше Ас1, но ниже Ас3. Этот отжиг для доэвтектоидных сталей применяют ограниченно. При температуре неполного отжига избыточный феррит не исчезает. Следовательно, неполный отжиг не может устранить указанных выше пороков стали, которые связаны с нежелательными размерами и формой избыточного феррита. Неполный отжиг доэвтектоидной стали используют для смягчения ее перед обработкой резанием, так как в результате эвтектоидного превращения при неполном отжиге образуется мягкий перлит. Неполный смягчающий отжиг позволяет сэкономить время и снизить стоимость обработки.
Закалка стали. Способы закалки: Наиболее широкое применение получила закалка в одном охладителе (рис.1). Такую закалку называют непрерывной. Во многих случаях, особенно для изделий сложной формы и при необходимости уменьшения деформации, применяют и другие способы закалки.
Прерывистая закалка (в двух средах). Изделие, закаливаемое по этому способу, сначала быстро охлаждают в воде до температуры несколько выше точки Мн, а затем быстро переносят в менее интенсивный охладитель (например, в масло пли на воздух), в котором оно охлаждается до 20 °С В результате переноса во вторую закалочную среду уменьшаются внутренние напряжения, которые возникли бы при быстром охлаждении в одной среде (воде), в том числе и в области температур мартенситного превращения. Закалка с самоотпуском. В этом случае охлаждение изделия в закалочной среде прерывают, с тем чтобы в сердцевине изделия сохранилось еще некоторое количество теплоты. Под действием теплообмена температура в более сильно охлаждающихся поверхностных слоях повышается и сравнивается с температурой сердцевины. Тем самым происходит отпуск поверхности стали (самоотпуск). Закалку с самоотпуском применяют, например, для таких инструментов, как зубила, кувалды, слесарные молотки, керны, которые работают с ударными нагрузками и должны сочетать высокую твердость на поверхности с повышенной вязкостью в сердцевине. Ступенчатая закалка. При выполнении закалки по этому способу (рис.2а) сталь после нагрева до температуры закалки охлаждают в среде, имеющей температуру несколько выше точки Мн (обычно 180–250 °С), и выдерживают в ней сравнительно короткое время. Затем изделие охлаждают до комнатной температуры на воздухе. В результате выдержки в закалочной среде достигается выравнивание температуры по сечению изделия, но это не должно вызывать превращения аустенита с образованием бейнита.
Мартенситное превращение протекает при охлаждении на воздухе, но менее полно, чем при непрерывной закалке, вследствие чего сталь сохраняет больше остаточного аустенита. При ступенчатой закалке уменьшаются объемные изменения вследствие присутствия большего количества остаточного аустенита и возможности самоотпуска мартенсита; коробление в результате протекания мартенситного превращения почти одновременно во всех участках изделия и опасность появления трещин. Во время фазовых превращений, в том числе и мартенситного, снижается прочность стали и повышается пластичность. Это своеобразное разупрочнение, наблюдающееся только в момент превращения (в данном случае мартенситного), используется при ступенчатой закалке для правки изделий, склонных к короблению. Правку (чаще под прессом) выполняют в период охлаждения изделий на воздухе после извлечения их из закалочной среды. Ступенчатая закалка углеродистых сталей может быть применена лишь для изделий диаметром не более 8–10 мм. Скорость охлаждения более крупных изделий в среде с температурой выше точки Мн оказывается ниже критической скорости закалки, и аустенит претерпевает распад при высоких температурах. Изотермическая закалка. Закалку по этому способу (рис.2б) выполняют в основном так же, как и ступенчатую, но в данном случае предусматривается более длительная выдержка выше точки Мн. При такой выдержке происходит распад аустенита с образованием нижнего бейнита. Для углеродистых сталей изотермическая закалка не дает существенного повышения механических свойств по сравнению с получаемыми обычной закалкой и отпуском. У большинства легированных сталей распад аустенита в промежуточной области не идет до конца. Если аустенит, не распавшийся при изотермической выдержке, не претерпевает мартенситного превращения при дальнейшем охлаждении, то сталь получает структуру бейнит +10–20 % остаточного аустенита, обогащенного углеродом. При такой структуре достигается высокая прочность при достаточной вязкости. Для многих сталей изотермическая закалка, обеспечивает значительное повышение конструктивной прочности, т. е. прочности образцов сложной формы. Если же большая часть аустенита, не распавшегося после окончания промежуточного превращения, при последующем охлаждении претерпевает мартенситное превращение, то изотермической закалкой нельзя получить высокие механические свойства. В этом случае резко снижается пластичность. Конструкционные легированные стали (0,3–0,5 % С) приобретают оптимальные механические свойства в результате изотермической закалки с выдержкой в нижней части промежуточной зоны изотермического распада аустенита (несколько выше точки Мн). Продолжительность выдержки в закалочной среде зависит от устойчивости аустенита при температурах выше точки Мн, определяемых диаграммой изотермического распада аустенита для данной стали. В качестве охлаждающей среды, при ступенчатой и изотермической закалке чаше применяют расплавленные соли в интервале температур 150–500 °С, например 55 % KNO3 и 45 % NaNО2 (или NaNO3), а также расплавленные щелочи (20 % NaOH и 80 % КОН). Чем ниже температура соли (щелочи), тем выше скорость охлаждения в ней. Поскольку расплавленные соли охлаждаются только вследствие теплоотдачи, то охлаждающая способность их возрастает при перемешивании: Добавление воды (3–5 %) в расплавы едких щелочей (с помощью специального приспособления) при погружении в них нагретого для закалки изделия вызывает кипение и увеличение скорости охлаждения в области температур перлитного превращения. Скорость охлаждения возрастает при 400–450 °С в 4–5 раз, а при 300 °С – в 2 раза. Охлаждение в расплавах едких щелочей, если предварительно детали нагревались в жидких солях (т. е. солях, не вызывающих окисления), позволяет получить чистую поверхность светло-серого цвета. Закалку но этому способу называют светлой.
Способы поверхностной закалки стали. Закалка ТВЧ, ее особенности: При поверхностной закалке высокую твердость и прочность приобретает лишь небольшой, толщиной несколько миллиметров, поверхностный слой детали. Почему же такая закалка во многих случаях оказывается не менее, а иногда даже и более эффективной чем сквозная закалка по всему объему? Это объясняется двумя причинами. Во-первых, в условиях работы в подавляющем большинстве случаев максимальные напряжения возникают на поверхности деталей, поэтому, повышая твердость и прочность поверхности, мы тем самым повышаем и работоспособность всей детали в целом. Во-вторых, применение поверхностной закалки значительно снижает хрупкость детали, особенно, если она имеет сложную форму, поскольку наряду с прочной, твердой поверхностью сохраняется сравнительно вязкая, пластичная сердцевина детали, чего нельзя достичь при сквозной закалке. С помощью токов высокой частоты (ТВЧ) можно провести нагрев поверхностного слоя детали на глубину в несколько миллиметров. Как и почему нагревается поверхностный слой?Представим себе проводник электрического тока, например в виде медной трубки, свернутой в незамкнутое кольцо. Внутрь такого кольца вставили металлический стержень так, чтобы он не касался трубки. Если теперь концы трубки включить в цепь переменного тока высокой частоты, то появится переменное электромагнитное поле такой же частоты. Силовые линии поля будут пронизывать стержень, благодаря чему в нем возникнет переменный ток высокой частоты (рис. 51). Это так называемые вихревые токи Фуко. Такой способ наведения переменного тока в проводнике без непосредственного включения его в электрическую цепь называется электромагнитной индукцией, а медная трубка, которая используется для нагрева, — индуктором. Индукция в переводе с английского значит наведение.Поверхностная закалка стали преследует следующие основные цели: повышение твердости изделий из металла, увеличение износостойкости и повышение предела выносливости деталей. После поверхностной закалки зубья шестерен, шейки валов, направляющие станин металлорежущих станков становятся более твердыми, износоустойчивыми и выносливыми. Сердцевина детали при такой закалке остается вязкой и хорошо выдерживает ударные и другие нагрузки.Промышленность применяет разные методы поверхностной закалки стали:Поверхностную закалку стали с индукционным нагревом токами высокой частоты (ТВЧ); Поверхностную закалку стали с электроконтактным нагревом; Поверхностную газопламенную закалку стали; Поверхностную закалку стали в электролите. Все вышеперечисленные способы, которыми осуществляется поверхностная закалка стали, имеют общее. Общей чертой для всех способов поверхностной закалки стали является то, что поверхностный слой детали нагревают до температуры выше критической точки Ас3, а затем быстро охлаждают и получают структуру мартенсита (закаленной стали). Наибольшее распространение, в настоящее время, получила поверхностная закалка стали и механическая обработка с индукционным нагревом токами высокой частоты (ТВЧ). Несколько реже, в основном, для крупных деталей, используют метод поверхностной закалки с нагревом газовым пламенем.Сущность процесса поверхностной закалки стали при нагреве токами высокой частоты состоит в том, что деталь нагревают на специальной установке с помощью медного индуктора, выполненного по форме закаливаемой детали. Через него пропускают переменный ток высокой частоты. Поверхность детали нагревается за несколько секунд на необходимую глубину. После этого ток выключают и быстро охлаждают деталь. В процессе закалки внутри индуктора циркулирует охлажденная вода, и поэтому он не нагревается.Метод поверхностной закалки стали электроконтактным нагреванием состоит в следующем. Нагревание детали происходит при выделении тепла в месте контакта детали и электрода, выполненного в форме медного ролика, прикрепленного к специальному приспособлению. Охлаждают поверхность закалки детали при помощи душа, перемещающегося вслед за электродом.Поверхностная закалка стали методом нагревания газопламенной горелкой заключается в том, что поверхность детали нагревают в пламени ацетиленокислородной горелки до необходимой температуры закалки, а затем быстро охлаждают струей холодной воды. Происходит это следующим образом: горелка газовая с определенной скоростью движется над поверхностью закаливаемой детали, а за горелкой, с той же скоростью, производит движение закалочная трубка, через которую осуществляется подача воды. Пламя ацетиленокислородной горелки имеет температуру 2500—3200° С, и, поэтому, оно нагревает поверхность изделия из стали до необходимой для закалки, температуры за очень короткий промежуток времени. За то время слои стали, лежащие под поверхностью, не успевают прогреться до критической точки и не получают закалку. Толщина закаленного слоя составляет 2—4 мм, а твердость достигает НЯС 50—56. Поверхностная закалка стали газопламенным методом меньше деформирует деталь из стали, чем объемная закалка, и поверхность не загрязняет. Такой метод поверхностной закалки стали более рентабелен для крупных деталей, чем закалка с индукционным нагревом током высокой частоты (ТВЧ).Поверхностная индукционная закалка стали токами высокой частоты (ТВЧ) тел сложной формы, таких как шестерни, шлицевые валы и зубчатые колеса имеет задачу обеспечить равномерную твердость и равную глубину закаленного слоя по всему периметру зуба и впадины. И здесь главное влияние на качество закалки деталей сложной формы оказывает частота, на которой ведется индукционная закалка, а также удельная мощность нагрева. Для каждой конкретной детали из стали разрабатывается собственная технология закалки на основе компьютерного моделирования нагрева и охлаждения, лабораторных металлографических исследований закаленного слоя стали и экспериментальной отработки режимов закалки на образцах.
Природа внутренних напряжений в закаленной стали. Дефекты в закаленной стали: коробление, трещины, обезуглероживание; меры их предупреждения:
При закалке в детали возникают значительные внутренние напряжения — термические и структурные.
Тем больше, чем ниже температура поверхности. Период охлаждения, когда разность температур достигает максимума, является наиболее вероятным для развития внутренних напряжений. В этот период охлаждения в поверхностных слоях детали будут возникать напряжения растяжения, а в сердцевине — напряжения сжатия. В процессе дальнейшего охлаждения происходит перераспределение напряжений и после окончания охлаждения: при температуре до 20° С поверхностные слои детали будут испытывать напряжения сжатия, а сердцевина — напряжения растяжения (рис. 65, а). Эти напряжения называются остаточными напряжениями.Структурные напряжения возникают в результате того, что превращение аустенита в мартенсит (связанное с увеличением объема) в разных местах детали происходит не одновременно. Температура мартенситного превращения сначала достигается в поверхностных слоях, в которых появляются временные сжимающие напряжения, а во внутренних слоях напряжения растяжения. Затем мартенситное превращение протекает во внутренних слоях и знак напряжений на поверхности и в сердцевине изменяется. Эпюра структурных остаточных напряжений после сквозной закалки имеет вид, показанный на рис. 65, б.При закалке термические и структурные напряжения суммируются
В зависимости от условий охлаждения, сечения деталей, глубины закалки и других факторов суммарные остаточные напряжения могут быть различными. Один из примеров эпюры суммарных остаточных напряжений показан на рис. 65, в.Структурные напряжения опасны тем, что они возникают при появлении хрупкой структуры мартенсита. Если напряжения достигнут предела прочности, то образуются трещины. Наиболее опасными являются напряжения растяжения на поверхности, возникающие в основном вследствие структурных напряжений, которые надо при закалке уменьшать.Способы закалки. Непрерывную закалку в одной среде (рис. 66, кривая 1) применяют наиболее широко. Деталь нагревают до температуры закалки и охлаждают в одной среде. Если охлаждение производят в жидкой среде (воде, масле), то для равномерного охлаждения деталь, погрузив в жидкую среду, перемещают в вертикальной плоскости или круговыми движениями. Для равномерного охлаждения жидкость перемещают с помощью лопастей, установленных в закалочном баке, или непрерывно подают и отводят из закалочного бака охлаждающую жидкость. Если требуется закалить не всю деталь, а только определенную часть, в охлаждающую жидкость погружают эту часть детали или применяют струйное охлаждение. Такую закалку называют местной.
Для равномерной закалки и уменьшения коробления (особенно длинных цилиндрических деталей, тонких плоских деталей и др.) применяют специальные закалочные машины и прессы. В закалочной машине или закалочном прессе деталь при охлаждении находится в зажатом положении (например, валы и оси между зажимными роликами, зубчатые колеса —- в штампах, пилы — между плитами и т. п.).Большое распространение имеют различные автоматизированные закалочные агрегаты непрерывного действия, в которых детали из закалочной печи после нагрева сбрасываются с конвейера в закалочный бак и выдаются из него с помощью конвейера. Недостатком закалки в одном охладителе (если закалка производится в воде) является возникновение значительных внутренних напряжений, которые могут вызвать появление трещин.При закалке с подстуживанием деталь вынимают из печи и перед погружением в охлаждающую жидкость некоторое время выдерживают на воздухе (подстуживают). При подстуживании температура детали не должна понизиться ниже критической точки. Подстуживание уменьшает внутренние напряжения и коробление деталей,При закалке в двух средах (прерывистая закалка, рис. 66, кривая 2) деталь охлаждают до 300—400° С в энергично действующем охладителе — воде, а затем для окончательного охлаждения переносят в слабый охладитель — масло. Такая закалка иначе называется закалкой в воде с переброской в масло. Быстрое охлаждение при закалке необходимо для того, чтобы в процессе охлаждения не произошло распада аустенита на феррито-цементит-ную смесь в интервале температур 500—600° С. Для превращения аустенита в мартенсит быстрое охлаждение не только не нужно, но и нежелательно, так как именно при быстром охлаждении в интервале мартенситного превращения и могут возникнуть трещины. В интервале мартенситного превращения для уменьшения возникающих структурных внутренних напряжений и предохранения от возможности возникновения трещин желательно замедленное охлаждение. Этому требованию и удовлетворяет закалка в двух средах.Большее количество воды приводит к сильному кипению при погружении нагретых деталей. Повышение закаливающей способности щелочей при добавлении к ним воды объясняется тем, что происходит испарение воды. Необходимая для испарения воды теплота интенсивно отнимается от охлаждаемой детали. При испарении воды скорость охлаждения понижается, поэтому необходимо в ванну периодически добавлять воду (по мере надобности).Недостатком ступенчатой закалки является возможность ее применения для деталей диаметром до 10 мм из углеродистой стали. Это объясняется тем, что для крупных деталей скорость охлаждения в соляной ванне является недостаточной для того, чтобы переохладить аустенит до температуры, немного превышающей температуру начала мартенситного превращения. В связи с недостаточной скоростью охлаждения в зоне наименьшей устойчивости аустенита (500—600° С) произойдет частичный распад с образованием феррито-цементитной смеси, и твердость получится пониженной.Для деталей из легированных сталей ступенчатую закалку применять нецелесообразно, так как они закаливаются в масле, которое достаточно медленно охлаждает в интервале температур мартенситного превращения.Изотермическую закалку, впервые предложенную Д. К. Черновым, применяют широко. Так же, как и при ступенчатой закалкег охлаждение деталей, нагретых до температуры закалки, производится в соляных ваннах. Температура соляной ванны при изотермической закалке 250—400° С. Детали выдерживают в соляной ванне в течение времени (согласно С-кривой для данной стали), необходимого для полного распада аустенита. После выдержки детали охлаждают на воздухе (см. рис. 66, кривая 4). В результате изотермической закалки образуется бейнит твердостью ИКС 45—55, но достаточно пластичный. Изотермическую закалку целесообразно применять для деталей, склонных к короблению и образованию трещин.Для нагрева деталей при закалке применяют камерные, конвейерные печи и другие. Большое распространение имеют тигельные электрические и электродные печи-ванны. Печи-ванны удобны в работе; нагрев деталей в них происходит быстрее, чем в камерных печах. При нагреве в печах-ваннах детали находятся в расплавленной соли; в них также удобно нагревать детали путем частичного погружения в расплавленную соль. К недостаткам нагрева в печах-ваннах можно отнести малую стойкость тиглей и в связи с этим частые остановки ванн; необходимость соблюдения осторожности при работе (возможно выплескивание расплавленных солей при попадании влаги в ванну); взрывоопасность некоторых солей при перегреве; обезуглероживание деталей при нагреве в некоторых солях.
Отпуск, виды отпуска стали, структура и свойства отпущенной стали: В зависимости от температуры нагрева получаются три степени отпуска: 1) низкий отпуск - примерно до 200° нагрева, когда в стали преобладает отпущенный мартенсит; 2) средний отпуск, отвечающий температурам нагрева 200-450°, с преобладающим состоянием троостита-отпуска; 3) высокий отпуск - при нагревах выше 450° (до точки Aci), дающий состояние сорбита-отпуска. Рассмотрим, каковы свойства и структуры сталей, отпущенных до каждой из указанных стадий. Для примера возьмем эвтектоидную сталь. Свойства и структура этой стали в закаленном на мартенсит состоянии были указаны выше . Это свойство главным образом преобладающего свеже-полученного (неотпущенного) мартенсита (тетрагонального или р-мартенсита) в смеси с небольшим количеством остаточного аустенита.При низком отпуске (до 200°) этот мартенсит переходит в отпущенный, отличающийся от первого весьма незначительным изменением свойств, заметным иногда только при точных измерениях. Например, твердость его повышается всего на 2-3 единицы Rc; хрупкость остается по-прежнему значительной. Но все-таки в этом состоянии хрупкость меньше, так как нагрев до 200° снижает напряжения, полученные при закалке. В связи с этим в низкоотпущенной стали наблюдается повышение предела упругости и ударной вязкости.Физические свойства также изменяются незначительно: удельный вес увеличивается (объем уменьшается), а электросопротивление и коэрцитивная сила уменьшаются. Наиболее заметно увеличивается растворимость в кислотах. Ввиду этого наблюдается и большая протравимость шлифа при выявлении структуры.Эта разница в протравимости дает почти единственный признак для структурного отличия отпущенного мартенсита от неотпущенного, так как форма и расположение мартенситных пластин (иголочек) остаются неизменными. На фиг. 159 показана микроструктура одного и того же места закаленной на мартенсит стали до отпуска (а) и после (б). В первом случае иголочки и пластинки мартенсита светлее окружающего их аустенита, т. е. являются мало протрави-мыми, а во втором - те же иголочки (после одинакового времени травления) стали черными вследствие быстрого травления.Итак, при низком отпуске закаленная на мартенсит сталь не претерпевает значительных изменений в свойствах и структуре, на начальной ординате показаны примерно свойства, присущие при обыкновенной температуре нераспавшемуся аустениту, и далее при небольшом нагреве изменение этих свойств при образовании мартенсита (переход в мартенсит при небольшом нагреве показан здесь условно; на самом деле, как известно, мартенсит получается в аустените уже при охлаждении во время закалки).Для низкого отпуска (до 200°) не показаны изменения предела упругости (яе) и ударной вязкости (ак), которые могут колебаться иногда в значительной степени; и в общем здесь изображено схематически, что в первой стадии отпуска свойства стали существенно не изменяются.При среднем отпуске (200-450°) в стадии троостита-отпуска свойства изменяются уже более существенно в сторону снижения твердости и прочности и повышения пластических характеристик (8 и ак).Электросопротивление и коэрцитивная сила непрерывно и однозначно снижаются, а плотность и растворимость растут, достигая максимума к началу высокого отпуска.Наряду с происходящими фазовыми и структурными превращениями второй стадии отпуска , вызывающими соответствующие изменения свойств, следует отметить еще большее (чем при низком отпуске) снижение напряжений от закалки, что также оказывает дополнительное влияние на состояние и свойства стали. Возможно влияние температуры отпуска на изменение физико-химических свойств стали.Что же каоается структуры троостита-отпуска, то она, подобно трооститу-закалки, представляя чрезвычайно размельченную (высокодисперсную) смесь, не различима под оптическим микроскопом, но имеет такой же характерный признак - интенсивное (быстрое) потемнение шлифа при травлении.Здесь только в отличие от троостита-закалки не бывает случаев одновременного присутствия участков (игл или сфероидов) троостита на мартенсите, и вся масса отпускаемого образца переходит полностью в состояние троостита отпуска; так что площадь шлифа при травлении равномерно и быстро темнеет.При этом для тро-остита-отпуска характерно, что если в исходном мартенсите было явное игольчатое строение, то оно не утрачивается и при отпуске, и иногда бывает трудно решить по структуре, имеем ли мы троостит отпуска или мартенсит. Для разрешения вопроса следует обратить внимание на скорость потемнения шлифа при травлении или (если ьозможно) прибегнуть к определению твердости.Относительно внутреннего строения троостита-отпуска нужно заметить, что хотя оно недоступно рассмотрению под оптическим микроскопом, но с помощью электронного микроскопа и другими методами удалось установить, что в нем имеются высокодисперсные карбидные выделения в форме округлых (точечных) образований.Еще яснее такая округлая форма цементита была установлена в стадии высокого отпуска при нагревах выше 450°.При этом отпуске, как сказано, мы имеем менее дисперсную смесь установившихся фаз: феррита и цементита, образующих сорбит отпуска. Происходящий при этом процесс коагуляции цементита все более приближает сплав к равновесному состоянию, и свойства соответственно претерпевают непрерывные изменения, приближаясь к свойствам, отвечающим отжигу стали.Наиболее важным и интересным является изменение ударной вязкости стали. Оказывается, что в стадии сорбита-отпуска, особенно при повышенных температурах (-600-650°), ак получается выше, чем в отожженном (на перлит) состоянии. Если учесть, что прочность и твердость в состоянии сорбита-отпуска тоже выше, чем в отожженной стали , справа - данные, указанные для отжига), то можно заключить, что при высоком отпуске имеется лучшее по сравнению с отожженной сталью сочетание прочности и твердости с вязкостью (пластичностью).Отсюда и возник термин улучшение стали. Под улучшением понимают термическую операцию, заключающуюся в закалке стали на мартенсит с последующим высоким отпуском на сорбит. Повышенная пластичность, и особенно ударная вязкость (ак), при улучшении (высоком отпуске) находит себе объяснение как раз в округленной (точечной) форме карбида, получаемой в сорбите отпуска.Установлено, что при пластинчатой форме цементита, получаемой в сорбите-закалке, никогда не достигаются такие значения пластичности, вязкости, а также упругости, какие получаются при округленной форме карбида, где сопоставлены механические свойства одной и той же стали в состоянии сорбита-отпуска с точечным цементитом и сорбита закалки с пластинчатым цементитом; при этом сопоставление делается при равной твердости, свидетельствующей об одинаковой размельченноеTM сорбитных смесей, так что разница определяется влиянием только формы цементитных образований, а не их величины (размеров).Здесь видно, насколько существенно состояние сорбита-отпуска (улучшения) превосходит состояние сорбита-закалки по os, Ь .Следует, однако, иметь в виду, что указанное преимущество сорбита-отпуска обусловливается, кроме его внутреннего строения (формы цементита), еще и тем, что при нагреве порядка около 600 уничтожаются полностью все напряжения от закалки , а также полностью произойдут рекристаллизационныв процессы, что также должно способствовать повышению пластичности высокоот-пущенной стали.При нормализации же и получении пластинчатых структур закалки вследствие относительно быстрого охлаждения могут возникнуть и оставаться внутренние напряжения в стали.Необходимо также обратить внимание на то, что глобулярная форма цементита может получаться при отпуске лишь в том случае, если исходить из мартенсита или смеси его с игольчатым трооститом.Если же при закалке образовался троостит с пластинчатым цементитом (в точках Аг'), то пластинки не переходят в глобули и улучшения, свойственного сорбиту отпуска, не получится. Отсюда и является требование при улучшении: обязательная предварительная закалка на мартенсит, т. е. со скоростью охлаждения, близкой к критической {vKp) или выше ее.Структура сорбита-отпуска, особенно после нагрева до температур, близких к точке Ас, уже может быть различима под микроскопом при больших увеличениях; она представляет дисперсные, округлые (точечные) образования цементита, густо рассеянные на феррите.Несмотря на значительное удаление от состояния мартенсита в сорбите отпуска иногда тоже сохраняется мартенситная ориентировка, т. е. следы бывшего игольчатого строения исходного мартенсита.В отличие от троостита сорбит-отпуска травится медленнее и не дает таких темных оттенков, в особенности в стадии наименьшей дисперсности смеси. Структура и свойства неэвтектоидных сталей при отпуске изменяются примерно аналогично эвтектоидным, но, конечно, с учетом того влияния, какое оказывает углерод на свойства и структуру сталей при закалке.
Комбинированные методы упрочнения стали (ВТМО и НТМО), способы проведения: Одним из технологических процессов упрочняющей обработки является термомеханическая обработка (ТМО).Термомеханическая обработка относится к комбинированным способам изменения строения и свойств материалов.При термомеханической обработке совмещаются пластическая деформация и термическая обработка (закалка предварительно деформированной стали в аустенитном состоянии).Преимуществом термомеханической обработки является то, что при существенном увеличении прочности характеристики пластичности снижаются незначительно, а ударная вязкость выше в 1,5…2 раза по сравнению с ударной вязкостью для той же стали после закалки с низким отпуском.В зависимости от температуры, при которой проводят деформацию, различают высокотемпературную термомеханическую обработку (ВТМО) и низкотемпературную термомеханическую обработку (НТМО).Сущность высокотемпературной термомеханической обработки заключается в нагреве стали до температуры аустенитного состояния (выше А3). При этой температуре осуществляют деформацию стали, что ведет к наклепу аустенита. Сталь с таким состоянием аустенита подвергают закалке (рис. 16.1 а).Высокотемпературная термомеханическая обработка практически устраняет развитие отпускной хрупкости в опасном интервале температур, ослабляет необратимую отпускную хрупкость и резко повышает ударную вязкость при комнатной температуре. Понижается температурный порог хладоломкости. Высокотемпературная термомеханическая обработка повышает сопротивление хрупкому разрушению, уменьшает чувствительность к трещинообразованию при термической обработке.
Высокотемпературную термомеханическую обработку эффективно использовать для углеродистых, легированных, конструкционных, пружинных и инструментальных сталей.Последующий отпуск при температуре 100…200oС проводится для сохранения высоких значений прочности.Низкотемпературная термомеханическая обработка (аусформинг).Сталь нагревают до аустенитного состояния. Затем выдерживают при высокой температуре, производят охлаждение до температуры, выше температуры начала мартенситного превращения (400…600oС), но ниже температуры рекристаллизации, и при этой температуре осуществляют обработку давлением и закалку (рис. 16.1 б).Низкотемпературная термомеханическая обработка, хотя и дает более высокое упрочнение, но не снижает склонности стали к отпускной хрупкости. Кроме того, она требует высоких степеней деформации (75…95 %), поэтому требуется мощное оборудование.Низкотемпературную термомеханическую обработку применяют к среднеуглеродистым легированным сталям, закаливаемым на мартенсит, которые имеют вторичную стабильность аустенита.Повышение прочности при термомеханической обработке объясняют тем, что в результате деформации аустенита происходит дробление его зерен (блоков). Размеры блоков уменьшаются в два – четыре раза по сравнению с обычной закалкой. Также увеличивается плотность дислокаций. При последующей закалке такого аустенита образуются более мелкие пластинки мартенсита, снижаются напряжения.Механические свойства после разных видов ТМО для машиностроительных сталей в среднем имеют следующие характеристики (см. табл. 16.1):Таблица 16.1. Механические свойства сталей после ТМО
| , МПа | , МПа | , % | , % | |
| НТМО | 2400…2900 | 2000…2400 | 5…8 | 15…30 |
| ВТМО | 2100…2700 | 1900…2200 | 7…9 | 25… 40 |
| ТО | ||||
| (сталь 40 после обычной закалки) |
Химико-термическая обработка. Классификация технологических процессов: Химико-термическая обработка (ХТО) - нагрев и выдержка металлических (а в ряде случаев и неметаллических) материалов при высоких температурах в химически активных средах (твердых, жидких, газообразных).В подавляющем большинстве случаев химико-термическую обработку проводят с целью обогащения поверхностных слоев изделий определенными элементами. Их называют, насыщающими элементами или компонентами насыщения.В результате ХТО формируется диффузионный слой, т.е. изменяется химический состав, фазовый состав, структура и свойства поверхностных слоев. Изменение химического состава обуславливает изменения структуры и свойств диффузионного слоя.В зависимости от насыщающего элемента различают следующие процессы химико-термической обработки:однокомпонентные: цементация - насыщение углеродом; азотирование - насыщение азотом; алитирование - насыщение алюминием; хромирование - насыщение хромом; борирование - насыщение бором; силицирование - насыщение кремнием;многокомпонентные: нитроцементация (цианирование, карбонитрация) - насыщение азотом и углеродом; боро- и хромоалитирование - насыщение, бором или хромом и алюминием, соответственно; хромосилицирование – насыщение хромом и кремнием и т.д.Широкое промышленное применение получили только традиционные процессы насыщения: азотирование, цементация, нитроцементация, цианирование. Цинкование, алитирование, борирование, хромирование, силицирование применяют значительно в меньшей мере.На практике в подавляющем большинстве случаев ХТО подвергают сплавы на основе железа (стали и чугуны), реже - сплавы на основе тугоплавких металлов, твердые сплавы и еще реже сплавы цветных металлов, хотя практически все металлы могут образовывать диффузионные слои с подавляющим большинством химических элементов Периодической системы элементов Д.И. Менделеева.При реализации любого процесса ХТО изделия выдерживают определенное время при температуре насыщения в окружении насыщающей среды. Насыщающие среды могут быть твердыми, жидкими или газообразными.Существующие методы химико-термической обработки можно разделить на три основные группы: насыщение из твердой фазы (в основном, из порошковых засыпок), насыщение из жидкой фазы и насыщение из газовой (или паровой) фазы. Особо выделяют метод ХТО в ионизированных газах (ХТО в плазме тлеющего разряда). Насыщение из паст (обмазок) занимает особое положение (в зависимости от состава, консистенции обмазки и температурно-временных условий химико-термической обработки тяготеет к одному из указанных выше методов насыщения)В настоящее время активно изучают способы ХТО, реализующиеся при воздействии на поверхность концентрированными потоками энергии.
Цементация. Назначение, способы проведения. Получаемая структура и свойства: Цементация – химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя атомами углерода при нагреве до температуры 900…950 oС. Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода (до 0,25 %).Нагрев изделий осуществляют в среде, легко отдающей углерод. Подобрав режимы обработки, поверхностный слой насыщают углеродом до требуемой глубины.Глубина цементации (h) – расстояние от поверхности изделия до середины зоны, где в структуре имеются одинаковые объемы феррита и перлита ( h. = 1…2 мм).Степень цементации – среднее содержание углерода в поверхностном слое (обычно, не более 1,2 %).Более высокое содержание углерода приводит к образованию значительных количеств цементита вторичного, сообщающего слою повышенную хрупкость.На практике применяют цементацию в твердом и газовом карбюризаторе (науглероживающей среде).Участки деталей, которые не подвергаются цементации, предварительно покрываются медью (электролитическим способом) или глиняной смесью. Структура цементованного слоя На поверхности изделия образуется слой заэвтектоидной стали, состоящий из перлита и цементита. По мере удаления от поверхности, содержание углерода снижается и следующая зона состоит только из перлита. Затем появляются зерна феррита, их количество, по мере удаления от поверхности увеличивается. И, наконец, структура становится отвечающей исходному составу.
Азотирование стали: Азотирование стали — насыщение поверхности стальных деталей азотом для повышения твердости, износоустойчивости и коррозионной стойкости. Для азотирования нагревают детали при 480—650°С в атмосфере диссоциированого аммиака, при этом образуется атомарный азот, который поглощается поверхностью стальных деталей с образованием твердого раствора азота в матрице металла , нитридов железа и нитридов легирующих элементов. Азотирование применяется для повышения твердости, износостойкости, предела усталости, сопротивления коррозии и жаропрочности.Азотированию могут подвергаться детали из углеродистой низко-легированной и легированной сталей, а также чугун.Детали из углеродистой и низколегированной стали азотируют для увеличения сопротивления коррозии. Твердость азотированной. поверхности у них не превышает HV 250—300.
Цианирование стали: Цианированием называется процесс одновременного насыщения стали углеродом и азотом с целью повышения твердости, износостойкости и коррозионной стойкости изделия.Одновременное присутствие углерода и азота ускоряет их совместную диффузию в поверхностные слои металла. Цианированию подвергают углеродистые и легированные стали.Различают два вида цианирования:высокотемпературное, проводимое при температуре, лежащей выше Ас3,низкотемпературное при температуре нижеAc1.При высокотемпературном цианировании металл насыщается в большей степени углеродом, чем азотом, а при низкотемпературном цианировании — в большей степени азотом, чем углеродом.Цианирование производится в жидкой или газовой среде.При жидкостном цианировании используют расплавленные цианистые соли (25% NaCN, 60% NaCl и 15% Na2C03).Цианистые соли натрия (NaCN) при химическом взаимодействии с поверенной солью (NaCl) и содой (Na2С03) разлагаются с выделением активных (атомарных) углерода и азота.При газовом цианировании изделия нагревают в смеси газов, содержащих углерод и азот. Для этой цели используют смесь окиси углерода СО и аммиака NH3.При химическом взаимодействии их образуются активный (атомарный) углерод и азот.Высокотемпературное жидкостное цианирование производится при температурах 800—900° и дает при выдержке от 5 до 45 мин. глубину цианированного слоя до 0,075—0,10 мм.Такое цианирование проводят в электрических печах-ваннах.Следует при этом отметить, что применяемые расплавленные цианистые соли представляют собой сильный яд.В связи с вредностью производства жидкостное цианирование заменяют газовым цианированием, которое может производиться в муфельных электрических печах.Высокотемпературное газовое цианирование проводится при тех же температурах, но выдержка составляет 1—2 часа.После последующей закалки и отпуска твердость цианированного изделия составляет HRC = 60—64. Применяется высокотемпературное цианирование для обработки шестерен и других деталей машин и станков.Низкотемпературное цианирование применяется для быстрорежущих сталей с целью повышения износостойкости инструмента и проводится после полного цикла термической обработки инструмента при 500—600°, это обеспечивает получение весьма высокой твердости и износостойкости.
Магнитотвердые и магнитомягкие стали и сплавы. Их состав, свойства, назначение: МАГНИТОТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫЭта группа материалов должна обладать высокими значениями коэрцитивной силы и остаточной индукции и сохранять высокий уровень этих свойств в течение длительного времени.Условно к магнитотвердым материалам (высококоэрцитивным) относят материалы Hc ≥ 4 кА/м. Изделия из магнитотвердых материалов работают в магнитной цепи, включающей воздушный зазор и магнитопровод из магнитомягкого материала. Благодаря наличию воздушного зазора образуются свободные магнитные полюса и размагничивающее поле, в котором находится магнитотвердый материал.Для полной характеристики магнитнотвердого материала необходимо знать остаточную индукцию Вr, коэрцитивную силу Нс и величину (BH)max.Остаточная индукция определяет магнитный поток, создаваемый магнитнотвердым материалом в магнитной цепи, коэрцитивная сила — сопротивляемость данного материала воздействию собственного размагничивающего поля и внешних размагничивающих полей, a произведение (BH)max — энергию магнитного поля в материале. Материалы для постоянных магнитов обычно изготавливают литьем или методами порошковой металлургии.Для постоянных магнитов применяют высокоуглеродистые стали со структурой мартенсита, содержащие около 1 % С, дополнительно легированные хромом (3 %) — ЕХ3, а также одновременно хромом и кобальтом —·ЕХ5К5, EX9K15M2. Например, сталь ЕХ6К6 содержит 1 % С, 6 % Сr и 6 % Co. Легирующие элементы повышают магнитные характеристики, одновременно улучшая механическую и температурную стабильность постоянных магнитов. Эти стали подвергают нормализации, закалке и низкому отпуску.Высокие магнитные свойства имеют сплавы на основе Fe—Ni—Al и Fe—Ni—Al—Co с добавкой 2–4 % Cu. Иногда их называют сплавами типа «альнико». В маркировке этих сплавов присутствуют те же буквы, что и в маркировке сталей. Химический состав и магнитные свойства ряда литых сплавов для постоянных магнитов приведены в табл. 22.1. Сплавы этой системы подвергают термомагнитной обработке, которая состоит из нагрева до 1280–1300 °С, выдержки при этой температуре для получения однофазного состояния, быстрого охлаждения до 900 °С с последующим медленным охлаждением в магнитном поле с Hc = 160–280 кА/м. Затем проводится отпуск при 560–630 °С, длительность которого определяется маркой сплава. В процессе охлаждения при 900–650 °С в магнитном поле анизотропные по форме выделившиеся частицы фазы с высоким магнитным насыщением располагаются своей длинной осью в направлении, параллельном вектору напряженности магнитного поля. Для изготовления небольших и точных по размерам магнитов из сплавов типа «альнико» применяют методы порошковой металлургии. По составу спеченные сплавы близки к литым, они легче обрабатываются, но по магнитным свойствам несколько им уступают.Очень хорошие, но дорогие магниты изготовляют из сплавов с высоким содержанием кобальта, составляющего 25–50 %. Эти сплавы известны под названием «пермендур» (50 % Fe, 50 % Co), «перминвар» (45 % Ni, 25 % Co, 23 % Fe). Их обычно легируют небольшими добавками Мо, V или Сr. Недавно разработанный сплав гиперко 5-HS содержит 2 % V, 48,5 % Co, остальное — железо.Сплавы системы Fe—Cr—Co по своим магнитным свойствам близки к сплавам типа «альнико», но обладают более высокими механическими свойствами и деформируются не только в горячем, но и в холодном состоянии. Сплавы подвергают закалке при 950–1000 °С, холодной прокатке и старению при 600 °С. Магнитные свойства сплавов системы Fe—Cr—Co представлены в табл. 22.2. Высокая коэрцитивная сила в сплавах системы Fe—V—Co (викаллой) возникает в результате γ → α-превращения. Магнитные свойства формируются благодаря холодному деформированию и последующему отпуску. В сплавах этой системы γ → α-превращение происходит при холодном деформировании. Увеличение степени деформирования (обычно не менее 80–90 %) приводит к полному γ → α-превращению и созданию в сплаве кристаллической текстуры. Рост Нс происходит в процессе последующего отпуска в двухфазной α + γ-области вследствие обратного превращения. Сплавы, содержащие 12 % Co и 10–20 % Mo, называют комол. Эти сплавы деформируются только в горячем состоянии, так как высокое значение коэрцитивной силы достигается в результате распада пересыщенного твердого раствора.Постоянные магниты по порошковой технологии изготовляют как из хрупких сплавов систем Fe—Ni—Al и Fe—Co—Ni—Al, так и из пластичных сплавов систем Cu—Ni—Co, Fe—Co—Mo и др. Как правило, в качестве исходных материалов используют порошки чистых металлов и лигатур. Порошки смешивают в пропорции, необходимой для получения порошкового сплава заданного состава. Полученную смесь прессуют в виде магнитов нужной формы и проводят высокотемператур-ное спекание в защитной атмосфере или вакууме.В настоящее время созданы новые магнитные материалы с применением таких редкоземельных элементов, как неодим и самарий. В России широко осуществляют производство магнитов на основе химического соединения Nd2Fe14B, полученные методом порошковой металлургии с последующим прессованием и спеканием в атмосфере аргона при 1370 °С.Необходимость расширения области применения магнитотвердых материалов позволила разработать принципиально новые материалы: магнитопласты и магнитоэласты. В них используется смесь резины и пластмассы с размолотым порошком магнитотвердого феррита. Вместо феррита применяют порошки «альнико», соединений РЗМ, например Nd2Fe14B.Существенное преимущество формообразова-ния магнитов с помощью различных связующих веществ — возможность получения сложных магнитных текстур, например, в многополюсных кольцевых магнитах с количеством полюсов от двух до нескольких десятков.
Сплавы на основе меди и их классификация: Чистая медь (Сu) это популярный представитель группы цветных металлов, который обладает внушительным набором полезных физико-технических характеристик. Главные свойства этого металла – высокая электрическая и тепловая проводимость, дополняемая хорошей сопротивляемостью окислению. Существует несколько видов заготовок из чистой меди, в которых основной металл представлен от 99,4% до 99,9% от общего объёма с остаточными примесями и легирующими компонентами – фосфором, цинком, никелем, оловом, свинцом, бериллием, кремнием. Кроме сочетания легирующих элементов, чистая медь различается по давлению, необходимому для деформации структуры. Металл, твердость которого примерно равна 45 МПа называется мягкой медью, а если этот параметр равен 110 МПа, такую медь называют твёрдой. Более точная классификация по пределу прочности заключается в наличии трёх видов меди с соответствующим отражением в маркировке – мягкая медь (м), полутвёрдая (пт) и твёрдая (т).Для повышения физико-технических характеристик чистой меди в современной металлургии создаются передовые медные сплавы, легируемые различными металлами и минералами. Основные элементы, которые включены в состав медных сплавов этих двух типов – это цинк, олово, алюминий, кремний, фосфор, никель. В качестве дополнительных легирующих компонентов для создания новых физических и химических характеристик используются марганец, висмут, никель, бериллий и другие элементы таблицы Менделеева.Все медные сплавы подразделяются на три большие группы – латунь, оловянистые и неоловянистые бронзы. Информация о бронзах и латунях представлена в отдельных статьях текущего раздела.По аналогии с алюминиевыми сплавами, металлы на основе меди также делятся на деформируемые и литейные сплавы. Деформируемые медные сплавы отличаются высокой пластичностью и электропроводностью. Эти металлы широко используются для создания различных конструкций, штампованных деталей, пружин, гильз, электротехнических и электронных изделий, а также декоративно-функциональных предметов интерьера. Из них производятся многие виды проката: медный лист и трубы, сорт и арматура. Литейные медные сплавы характеризуются отличной плавкостью и являются основным материалом для художественного и промышленного фасованного литья.Медно-фосфористые сплавы представляют собой металлы, в состав которых входит два основных элемента - медь и фосфор. Кроме того, в составе таких сплавов находятся в незначительных пропорциях висмут и сурьма. Медно-фосфористые сплавы используются в машиностроении, для создания новых сплавов, в качестве раскислителей и в производстве бытовой техники. В частности материалы этого класса, дополненные серебром, являются самофлюсующимися припоями для эффективной пайки меди и других цветных металлов.Большим спросом в промышленном производстве пользуются жаропрочные сплавы меди, включающие кремний, хром и цинк в различных пропорциях. Эти прогрессивные материалы способны выдерживать значительные термальные нагрузки без изменения основных физико-химических характеристик. Подобное свойство обусловило широкое применение медных сплавов для изготовления деталей, работающих в условиях повышенного термального прессинга.Жаропрочные сплавы включают в свой состав от одного до нескольких легирующих элементов. Для упрочнения термической стойкости в такие сплавы вводят хром, марганец, кремний, никель и цинк в различных пропорциях и сочетаниях. Предварительная стадия процесса производства на основе медных сплавов этой категории в обязательном порядке включает в себя термообработку заготовок для облегчения механических воздействий. Электротехнические медные сплавы – это подгруппа жаропрочных соединений, которая используется для производства электронных деталей, электрооборудования и приборов. Металлы этого класса, кроме термостойкости, отличаются повышенной электропроводностью, что и определяет область применения. В основном они представлены медным кругом различного диаметра.В отдельную группу также выделены медно никелевые сплавы, отличающиеся непревзойдённой коррозийной стойкостью, что позволяет с успехом использовать этот передовой материал в современном судостроении. К этой же группе относится мельхиор, который широко используется для изготовления посуды и украшений. Наличие в сплаве никеля существенно увеличивает сопротивление окислению, повышает упругость и прочность конечного соединения. Одновременно понижаются главные свойства меди - теплопроводность и электропроводимость, что учитывается при использовании медно-никелевых сплавов. Как правило, обработка медно-никелевых сплавов требует повышенных температурных режимов и высокого давления.Большинство медных сплавов обладают серьёзным конкурентным приоритетом, ставящим эти металлы в группу незаменимых материалов в определённой области производства. Минимальный коэффициент трения – это главное преимущество различных сплавов этой категории, который активно используется в изготовлении деталей для механических узлов, работающих в режиме постоянного рабочего контакта с различными твёрдыми поверхностями.
Латуни их маркировка, классификация, свойства, область применения. Структура латуней: Латуни – это сплавы на основе меди и цинка. По химическому составу они подразделяются на простые (только медь и цинк) и специальные (наряду с медью и цинком содержат Pb, Fe, Al, Sn и другие элементы). Химический состав латуней определен в ГОСТ 15527-2004. Простые латуни маркируются буквой Л и цифрой, обозначающей процентное содержание меди: Л96, Л90, Л85, Л80, Л75, Л68, Л63. Содержание цинка определяется по остатку от 100%.Например, Л63 содержит 63% меди и 37% цинка. Простые латуни называют также двойными латунями (два основных компонента).Специальные латуни кроме цинка содержат и другие легирующие элементы. Их маркировка включает в себя дополнительные буквы и цифры, указывающие легирующие элементы и их содержание в %. Содержание цинка определяется по остатку от 100%. Например ЛС59-1 содержит 59% меди, 1% свинца и 40% цинка. Многокомпонентные латуни делятся на классы, которые называются по основному (кроме цинка) легирующему элементу. В таблице представлены основные марки латуней. Они используются как для литья (литейные), так и для производства проката (деформируемые). Некоторые латуни используются для сварки и пайки (ГОСТ 16130-90). В таблице они выделены желтой заливкой.
| ПРОСТЫЕ | АЛЮМИНИЕВЫЕ | КРЕМНИСТЫЕ | ОЛОВЯННЫЕ | СВИНЦОВЫЕ |
| Л96 | ЛА85-0.5 | ЛК80-3 | ЛО90-1 | ЛС74-3 |
| Л90 | ЛА77-2 | ЛК62-0.5 | ЛО70-1 | ЛС64-2 |
| Л85 | ЛА67-2.5 | ЛКС65-1.5-3 | ЛО62-1 | ЛС63-3 |
| Л80 | ЛАЖ60-1-1 | ЛО60-1 | ЛС59-1 | |
| Л75 | ЛАН59-3-2 | МАРГАНЦЕВЫЕ | ЛОК59-1-0.3 | ЛС59-2 |
| Л70 | ЛЖМц59-1-1 | ЛС58-2 | ||
| Л68 | ЛАНКМц75-2-2.5-0.5-0.5 | ЛМц58-2 | НИКЕЛЕВЫЕ | ЛС58-3 |
| Л63 | ЛМцА57-3-1 | ЛН65-5 | ЛЖС58-1-1 |
Бронзы: состав, свойства, маркировка и область применения: Бронза - это сплав меди с оловом, содержащий легирующих компонентов : алюминий, цинк, бериллий, свинец, кадмий, хром и др.). По химсоставу бронзы делятся на две группы: безоловянные - не содержащие олова и оловянные, в которых главным легирующим компонентом является оловоОсновные свойства бронзы:высокая прочность;высокая коррозионная стойкость;высокая электро- и теплопроводность;хорошее сопротивление износу;низкий коэффициент трения;стойкость к агрессивным средам;хорошо поддаются пайке твердыми и мягкими припоями и сварке ;допустимые рабочие температуры: 280 - 287°С.Бронзами называются сплавы на основе меди, в которых основными легирующими элемен-тами являются олово, алюминий, железо и другие элементы (кроме цинка, сплавы с которым относятся к латуням). Маркировка бронз состоит из сочетания «Бр», букв, обозначающих основ-ные легирующие элементы и цифр, указывающих на их содержание. По химическому составу бронзы классифицируются по названию основного легирующего элемента. При этом бронзы условно делят на два класса: оловянные (с обязательным присут-ствием олова) и безоловянные. По применению бронзы делят на деформируемые, технологические свойства которых допускают производство проката и поковок, и литейные, используемые для литья. В то же время многие бронзы, из которых производится прокат, используются и для литья.Химический состав и марки бронзовых сплавов определены в следующих ГОСТах:Литейные: оловянные в ГОСТ 613-79, безоловянные в ГОСТ 493-79.Деформируемые: оловянные в ГОСТ 5017-2006, безоловянные в ГОСТ 18175-78Многообразие бронз отражает приведенная ниже таблица. В ней представлены практически все деформируемые и часть литейных бронз. Бронзы, используемые исключительно как литейные, помечены «звездочкой». В дальнейшем будут рассматриваться преимущественно деформируемые бронзы. Структура бронзовых сплавов кратко рассмотрена в - Структура и свойства сплавов.
| ОЛОВЯННЫЕ БРОНЗЫ | ||||
| БрО5* | БрОФ4-0.25 | БрОЦ4-3 | БрОС8-12* | БрОЦС4-4-2.5 |
| БрО10* | БрОФ6.5-0.15 | БрОЦ8-4* | БрОС5-25* | БрОЦС4-4-17* |
| БрО19* | БрОФ7-0.2 | БрОЦ10-2* | БрОС10-10* | БрОЦС5-5-5* |
| БрОФ10-1* | БрОС6-15* | БрОЦС6-6-3* | ||
| АЛЮМИНИЕВЫЕ БРОНЗЫ | ||||
| БрА5 | БрАМц9-2 | БрАЖ9-4 | БрАЖМц10-3-1.5 | БрАЖН10-4-4 |
| БрА7 | БрАМц10-2* | БрАЖНМц10-4-4-1 | БрАЖН11-6-6* | |
| КРЕМНИСТЫЕ | БЕРИЛЛИЕВЫЕ | КАДМИЕВЫЕ | МАГНИЕВЫЕ | ХРОМОВЫЕ |
| БрКМц3-1 | БрБ2 | БрКд1 | БрМг0.3 (0.5 и 0.8) | БрХ0.8 |
| БрКН1-3 | БрБ2.5 | БрКдХ0.5-0.15 | БрХ1 | |
| БрКН0.5-2 | БрБНТ-1.9 | БрХ1Цр | ||
| СЕРЕБРЯНЫЕ | ЦИРКОНИЕВЫЕ | СВИНЦОВЫЕ | МАРГАНЦЕВЫЕ | |
| БрСр0.1 | БрЦр0.2 | БрС30* | БрМц5 |
Физические свойства бронзовых сплавов Модуль упругости Е разных марок меняется в широких пределах: от 10000 (БрОФ, БрОЦ) до 14000 (БрКН1-3, БрЦр). Модуль сдвига G меняется в пределах 3900-4500. Эти величины сильно зависят от состояния бронзы (литье, прокат, до и после облагораживания). Для нагартованных лент наблюдается анизотропия по отношению к направлению прокатки. Обрабатываемость резанием практически всех бронз составляет 20% (по отношению к ЛС63-3). Исключение составляют оловянно-свинцовые бронзы БрОЦС с очень хорошей обраба-тываемостью ( 90% для БрОЦС5-5-5).Ударная вязкость меняется в широких пределах, в основном она меньше, чем для меди (для сопоставимости результатов все значения приведены для литья в кокиль):
| БрОФ 10-1 | БрОФ 6.5-0.4 | БрАЖ 9-4 | БрА5 | Медь | БрМц5 |
| БрОЦС 6-6-3 | БрОЦС 4-4-2.5 | БрАЖМц | БрА7 | ||
| БрОС 5-25 | БрОЦ4-3 | БрАМц 9-2 | БрКМц3-1 | ||
| Значение ударной вязкости >> увеличение >> | |||||
| 1 – 3 | 4 – 6 | 6 – 8 | 15 – 16 | 16 – 18 |
Электропроводность большинства бронзовых сплавов существенно ниже, чем у чистой меди и многих латуней (значения удельного сопротивления приведены в мкОм*м):
| БрКд | ||||||
| Медь | БрМг | Л63 | БрОЦ4-3 | БрАМц | БрКМц | БрОФ7-0.2 |
| БрСр | БрЦр | ЛС59-1 | БрОЦС5-5-5 | БрА7 | БрАЖМц | |
| БрХ | БрАЖ9-4 | БрАЖН | ||||
| Значения удельного электросопротивления >> ухудшение электропроводности>> | ||||||
| 0.02 | 0.02 - 0.04 | 0.065 | 0.09-0.1 | 0.1-0.13 | 0.15 | 0.19 |
Сопротивление серебряной бронзы (медь легированная серебром до 0.25%) такое же как у чистой меди, но такой сплав имеет большую температуру рекристаллизации и малую ползучесть при высоких температурах.
Низкое удельное сопротивление имеют низколегированные бронзовые сплавы БрКд, БрМг, БрЦр, БрХ.. Величина электропроводности имеет существенное значение для бронз, используемых для изготовления коллекторных полос, электродов сварочных машин, для пружинящих электрических контактов. Приведенные значения являются ориентировочными, т.к. на величину сопротивления оказывает влияние состояние материала. Особенно сильно оно может измениться под влиянием облагораживания (в сторону уменьшения, это касается БрХ, БрЦр, БрКН, БрБ2 и др.). Например электросопротивление БрБ2 до и после облагораживания составляют 0.1 и 0.07 мкОм*м.
Теплопроводность большинства бронз существенно ниже теплопроводности меди и ниже теплопроводности латуней (значения приведены в кал/cм*с*С):
| Медь | БрКд | БрКН1-3 | Л63 | БрАЖН | БрАМц | БрОФ10-1 | БрКМц |
| БрСр | БрМг | БрА5 | ЛС59-1 | БрБ2 | БрАЖ | БрМц5 | |
| БрХ | БрОЦ4-3 | БрАЖМц | |||||
| Значения теплопроводности >> ухудшение >> | |||||||
| 0.9 | 0.8-0.6 | 0.25 | 0.25 | 0.25-0.18 | 0.17-0.14 | 0.13-0.12 | 0.1-0.09 |
Высокую теплопроводность имеют низколегированные бронзы. Облагораживание улучшает теплопроводность. Высокая теплопроводность особенно важна для обеспечения отвода тепла в узлах трения и в электродах сварочных машин. Низкая теплопроводность облегчает процесс сварки бронзовых деталей. Механические свойства бронзового проката
Если из всего разнообразия латуней массово производится прокат только двух марок (ЛС59-1 и Л63), то для массового производства полуфабрикатов из бронзы используется значительно большее количество марок. Бронзовый прокат включает в себя круги, трубы, проволоку, ленты, полосы и плиты. Особенности свойств различных бронзовых сплавов Выбор бронзы для использования в конкретных целях не определяется только величинами σв и НВ, которые отражают лишь часть механических свойств. Выбор той или иной марки производится с учетом всего комплекса физических, механических, технологических и антифрикционных свойств, коррозионной стойкости, поведения при высоких или низких температурах и т.д. Ниже в таблице сопоставлены свойства и марки бронзовых сплавов.
| Свойства | Марка бронзы |
| Наибольшая электро- и теплопроводность | БрСр, БрКд, БрМг, БрЦр, БрХЦр, БрХ |
| Жаропрочность | БрМц, БрАЖ, БрАЖМц, БрАЖН, БрАЖНМц |
| Жаропрочность в сочетании с высокой электропроводностью | БрХЦр, БрХ, БрКН |
| Износостойкость | БрОФ6.5-0.4, БрА5, БрА7, БрБ2 |
| Износостойкость в сочетании с высокой электропроводностью | БрКд, БрМг |
| Хорошая свариваемость | БрКМц3-1, оловянные бронзы |
| Эрозионная и кавитационная устойчивость | БрАЖМц, БрАЖН, БрАЖНМц |
| Высокий предел ползучести | БрА7, БрАЖН |
| Сопротивление коррозионной усталости | БрБ2 |
ПРИМЕНЕНИЕ БРОНЗОВЫХ СПЛАВОВ В УЗЛАХ ТРЕНИЯ (Антифрикционные бронзы) Бронзы очень широко используются в качестве антифрикционных материалов. К числу бронз, которые импользуются в качестве антифрикционных материалов относится большинство оловянных (кроме БрОЦ4-3) бронз, а из безоловянных - БрАМц, БрАЖ, БрАЖМц, БрАЖН. Эти бронзы применяются главным образом для изготовления 1) опор подшипников скольжения, 2) колес (венцов) червячных передач и 3) гаек в передачах "винт-гайка". Анти-фрикционные свойства составляют отдельную группу свойств и не связаны напрямую с их механическими свойствами. Антифрикционные свойства определяются свойствами поверхностного слоя, тогда как механические свойства определяются объемными свойствами материала.Это неочевидное утверждение можно проиллюстрировать на примере двух бронз - БрС30 и БрАЖ9-4 при их использовании в подшипниках скольжения. БрС30 существенно уступает бронзе БрАЖ9-4 по всем механическим показателям (прочность, твердость, относительное удлиение). Однако, именно она применяется в особо ответственных подшипниках, допускающих высокие скорости и высокие нагрузки ( в т.ч. ударные).Поэтому при выборе бронзы для использования в узлах трения учитывают прежде всего антифрикционные, а затем - механические свойства. Для этих целей массово используются круги и полые заготовки БрАЖ9-4 и БрАЖМц10-3-1.5 БрОЦС5-5-5, БрОФ10-1. Для направляющих используются катаные полосы из БрАМц9-2 и плиты (литые и отфрезерованные) из БрАЖ9-4 и БрОЦС5-5-5. Критерии выбора той или иной марки бронзы зависят от вида узла трения и условий его работы.
Металлокерамические твердые сплавы. Их свойства, способы получения и область применения. Маркировка твердых сплавов:
Металлокерамические твердые сплавы представляют сoбoй композиции, состоящие из особо твердых тугоплавких соединений в сочетании с вязким связующим металлом.Наибольшее практическое применение для производства металлокерамических твердых сплавов имеют карбиды WC, TiC и ТаС. Связующим металлом в спечённых твердых сплавах является кобальт, а иногда никель и железо.В зависимости от состава карбидной фазы твердые сплавы разделяют на три основные группы:однокарбид-пые сплавы WC — Со (типа ВК), дзухкарбидные сплавы WC—Ti С—Со (типа ТК), трехкарбидные сплавы WC—TiC—ТаС—Со (типаТТК). Сплавы первой группы различаются по содержанию кобальта (2...30%) и по зернистости карбидной фазы. С увеличением содержания кобальта растет вязкость сплава, но снижается твердость и износостойкость. Укрупнение зерен карбида вольфрама повышает вязкость сплава, но снижает твердость.
Однокарбидные сплавы применяют для изготовления режущих инструментов, предназначенных для обработки хрупких материалов: чугуна, цветных металлов и сплавов, неметаллических материалов (резины, фибры, пластмасс), а также нержавеющих и жаропрочных сталей, титана и его сплавов. Сплавы с низким содержание кобальта ВК2, ВКЗ, ВКЗМ, ВК4 применяют для чисто вой и получистовой обработки, а сплавы В Кб, ВК6М, ВК8 — Для черновой обработки. Вязкие сплавы с большим содержанием кобальта (более 20%) используют для оснащения штампового инструмента, работающего при значительных ударных нагрузках. Мелкозернистые твердые сплавы (ВКЗМ, ВК6М) применяют при обработке твердых чугуиов по литейной корке. Если в марке стоит буква В (ВК4В), это значит, что сплавы изготовлены из крупнозернистого карбида вольфрама.Сплавы второй группы благодаря высокой твердости и износостойкости применяют преимущественно при высокоскоростной обработке сталей резанием. Свойства сплавов определяются содержанием карбида титана и кобальта. С увеличением содержания TiC повышается износостойкость сплава и уменьшается его прочность, а увеличение содержания кобальта повышает вязкость и снижает твердость.Наивысшей для двухкарбидных сплавов износостойкостью и допустимой скоростью резания при чистовой обработке обладает сплав Т30К4. Сплавы Т15К6, Т5К.Ю предназначены для получистовой и черновой обработки углеродистых и легированных сталей (поковок, штамповок, отливок). Сплав Т5К12В применяют для тяжелой черновой обработки поковок, штамповок и отливок, а также для строгания углеродистых и легированных сталей.Сплавы третьей группы применяют для черновой и чистовой обработки труднообрабатываемых материалов, в том числе жаропрочных сплавов и сталей. Добавка карбида тантала или ниобия оказывает положительное влияние на прочность и режущие свойства сплавов. К этой группе относятся следующие марки: ТТ7К.12, ТТ7К15, ТТ8К6, ТТ20К9 и др.В связи с дефицитностью твердых сплавов на основе вольфрама применяют сплавы на основе карбидов ванадия, молибдена, хрома. Например, твердый сплав на основе карбида хрома имеет более высокую жаростойкость, чем сплавы ВК и ТК, и обладает хорошей износостойкостью. В последнее время начинают применять безвольфрамовые твердые сплавы группы TiC—Ni—Mo (монитикар), по своим свойствам превосходящие тита-новольфрамовые сплавы. Сплавы группы монитикар предназначены для обработки в условиях безударных нагрузок углеродистых сталей и сплавов. Выпускаются следующие марки сплавов: A3, Б2, БЗ, Б4, Б5, ВЗ, ГЗ и ДЗ (44,3% TiC, 37,4% Ni, 18,3% Mo), имеющие низкий коэффициент трения и высокую износостойкость.Твердые сплавы получают прессованием порошков карбидов и кобальта в изделия необходимой формы и последующим спеканием при 1250...1450 СС в атмосфере водорода или в вакууме. Твердые сплавы чаще изготовляют в виде стандартных пластин различной формы для оснащения ими резцов, фрез, сверл и других режущих инструментов, а также различных матриц для прессования полуфабрикатов и волочения проволоки. Пластины в режущем инструменте крепят либо медным припоем, либо механическим способом.Минералокерамические твердые сплавы изготовляют из дешевого и недефицитного материала — окиси алюминия. Минералокерамические твердые сплавы термокорунд и микролит (ЦМ-332) выпускают в виде пластинок. Минералокерамика обладает большой твердостью и красностойкостью, что позволяет использовать ее при высоких скоростях резания для чистовой и получистовой обработки чугуна, стали и других материалов. Однако минералокаремика имеет высокую хрупкость и низкие показатели механической прочности, что ограничивает область ее применения.
Баббиты: антифрикционный сплав на основе олова или свинца, предназначенный для использования в виде слоя, залитого или напыленного по корпусу вкладыша подшипника.Наиболее распространённые варианты сплава:90 % олова, 10 % меди;89 % олова, 7 % сурьмы, 4 % меди;80 % свинца, 15 % сурьмы, 5 % олова;В качестве присадок могут быть использованы: сурьма, медь, никель, мышьяк, кадмий, теллур, кальций, натрий, магний.Температура плавления — 300—440 °C.Первый подшипниковый сплав[1] разработан американцем Исааком Бэббитом[2] в 1839 году.Баббит, основу которого составляет олово (Б88, Б83, Б83С, SAE11, SAE12, ASTM2), используют, когда от антифрикционного материала требуются повышенная вязкость и минимальный коэффициент трения. Оловянный баббит по сравнению со свинцовым обладает более высокой коррозионной стойкостью, износостойкостью и теплопроводностью.Баббиты на основе свинца (Б16, БН, БСб, БКА, БК2, БК2Ш, SAE13, SAE14, ASTM7, SAE15, ASTM15) обладают более высокой рабочей температурой, чем на основе олова. Применяется для подшипников дизельных двигателей, прокатных станов.Свинцовокальциевый баббит используют в подшипниках подвижного состава железнодорожного транспорта.Все баббиты имеют существенный недостаток — низкое сопротивление усталости, что ухудшает работоспособность подшипника. Из-за небольшой прочности баббиты могут успешно эксплуатироваться только в подшипниках, имеющих прочный стальной (чугунный) или бронзовый корпус. Обычно тонкостенные подшипниковые вкладыши автомобильных двигателей изготовляют штамповкой из биметаллической ленты, полученной на линии непрерывной заливки. Продолжительность работы подшипников зависит от толщины баббитового слоя, залитого на стальной вкладыш. Уменьшение толщины слоя увеличивает срок службы подшипника.Марки: Баббит (Б-83) — сплав, состоящий из следующих элементов: Sn (83 %); Sb (11 %); Cu (6 %) — для подшипников, работающих при средних нагрузках. Допустимое рабочее давление [Pm]: 10-15 МПа.Баббит (СОС6) — сплав, состоящий из следующих элементов: Zn (5,5-6,5 %); Sb (5,5-6,5 %); Pb (остальное) — подшипники, работающие при высоких нагрузках (более 20 МПа) и температуре более 300 градусов, подшипники автомобильных дизельных двигателей.Допускаемые режимы работы:[Pm] = 5-12 МПа.[V] = 10 м/с.[Тм] = 80 по цельсию.Твёрдость, HB, МПа: 2700-3000.
Обработка стали холодом: Высокоуглеродистые и многие легированные стали имеют температуру конца мартенситного превращения (Мк) ниже 0oС. Поэтому в структуре стали после закалки наблюдается значительное количество остаточного аустенита, который снижает твердость изделия, а также ухудшает магнитные характеристики. Для устранения аустенита остаточного проводят дополнительное охлаждение детали в области отрицательных температур, до температуры ниже т. Мк (- 80oС). Обычно для этого используют сухой лед.Такая обработка называется обработкой стали холодом.Обработку холодом необходимо проводить сразу после закалки, чтобы не допустить стабилизации аустенита. Увеличение твердости после обработки холодом обычно составляет 1…4 HRC.После обработки холодом сталь подвергают низкому отпуску, так как обработка холодом не снижает внутренних напряжений.Обработке холодом подвергают детали шарикоподшипников, точных механизмов, измерительные инструменты.