Учебно-методический комплекс по дисциплине Материаловедение
Скачать 1.36 Mb.
|
4.2.5. Химико-термическая обработка стали (ХТО) ХТО – процесс поверхностного насыщения стали соответствующими элементами (например, С, N, Аl, Сr, и др.) путем диффузии в атомарном состоянии из внешней среды при высокой температуре с целью придания стали соответствующих свойств. ХТО заключается в нагреве изделия до заданной температуры в твердой, газовой или жидкой среде, легко выделяющей диффундирующий элемент в атомарном состоянии, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. В отличие от термообработки ХТО изменяет не только структуру, но и химический состав поверхностных слоев, что позволяет в более широких пределах менять свойства стали. ХТО включает следующие основные взаимосвязанные операции: 1. выделение диффундирующего элемента в атомарном состоянии в результате реакций, протекающих в насыщающей среде 2 СО → СО2 + С атомарный, 2 NН3 → 3Н2 + 2N атомарный; 2. контактирование атомов диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия и проникновение (растворение) в решетку Fе (адсорбция); 3. диффузия атомов насыщающего элемента в глубь металла. Цементация – процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Различают два основных вида цементации: твердыми углеродсодержащими смесями (карбюризаторами) и газовую. Для цементации обычно используют низкоуглеродистые стали (0,1…0,18% С). Для крупногабаритных деталей применяют стали с более высоким содержанием углерода (0,2…0,3%). Цель цементации – придание поверхности твердости при сохранении мягкой сердцевины. Температура цементации 900…970ºС. Толщина цементованного слоя от 0,1 до 3…4мм. Цементованные изделия подвергают двойной термообработке – закалке с температурой, равной 820…850 ºС и низкому отпуску при 150…170 ºС. После термообработки твердость поверхностного слоя – НRС 60…64. Азотирование – процесс насыщения поверхности изделия азотом при нагреве ее в аммиаке. Цель – придать поверхности высокую твердость, износостойкость, устойчивость против коррозии и усталостную прочность. азотирование широко применяется для зубчатых колес, цилиндров мощных двигателей, многих деталей станков и др. Перед азотированием детали подвергают улучшению, а сам процесс проводят при 500…600 ºС в атмосфере частично диссоциированного аммиака в течении 24…90ч.: 2NН3 → 3Н2 + 2N ат. Азотированию подвергают среднеуглеродистые легированные стали, содержащие Сr, Мо, V, W и Аl, которые приобретают особо высокую твердость и износостойкость. (образуются нитриды Сr2N, Мо2N, VN и др.) толщина азотированного слоя 0,25…0,75мм. Цианирование – насыщение поверхности изделий одновременно углеродом и азотом в расплавленных цианистых солях (цианистый натрий) при температуре равной 820…860 ºС. Продолжительность процесса определяется требуемой толщиной слоя и составляет 30…90 мин. После цианирования закалку выполняют непосредственно из цианистой ванны и проводят низкотемпературный отпуск (180…200 ºС) твердость цианированного слоя после термообработки 58…62 НRСЭ; толщина слоя 0,15…0,3 мм. Более низкая температура процесса цианирования и меньшая его продолжительность не приводят к росту зерна, как это бывает при цементации, а получаемый слой обладает большей твердостью и лучше сопротивляется износу и коррозии. (Токсичность цианистых солей). Нитроцементация - процесс насыщения поверхностного слоя деталей одновременно углеродом и азотом в газовой среде: азота 40%, водорода 40% и оксида углерода 20% при температуре 850…870 ºС в течение 4…10ч. Назначение – повышение износостойкости, предела выносливости при изгибе, твердости и коррозионной стойкости. После закалки и низкого отпуска (160…180 ºС) твердость поверхностного слоя составляет НRС=58…60 и толщина слоя 0,2…0,8 мм; они зависят от температуры и времени выдержки. Нитроцементацию широко используют в автомобильном и автотракторном производстве. Преимущества нитроцементации по сравнению с газовой цементацией – более низкая температура процесса, снижение деформации и коробления и др. Борирование – насыщение поверхностного слоя изделий из низко- и среднеуглеродных сталей 20, 40, 40Х, 30ХГС и др. бором при нагревании в боросодержащей среде. Борирование применяют для повышения твердости, износостойкости, коррозионной стойкости и окалиностойкости тяжело нагруженных деталей (нефтяное оборудование, штампы, пресс – формы и др.). Процесс проводится при температуре 850…950 ºС в течение 2…6 ч. Поверхностный слой состоит из боридов, толщина слоя 0,1…0,2 мм, твердость его НV 1800…2000. Диффузионная металлизация – диффузионное насыщение поверхности изделий металлами, а также кремнием (силицирование) для повышения жаростойкости, коррозионной стойкости, износостойкости и твердости. Алитирование – насыщение поверхности стали алюминием. В результате алитирования сталь приобретает высокую окалиностойкость (до 850…900 ºС), т.к. в процессе нагрева на поверхности алитированных изделий образуется плотная пленка оксида алюминия Аl2О3, предохраняющая металл от окисления + сопротивление коррозии в некоторых средах + эрозионная стойкость . Алитирование проводят при 950…1050 ºС в течении 3…12ч.; толщина слоя – 0,2…0,8 мм. Алитируют чехлы термопар, детали разливочных ковшей, клапаны и др. изделия, работающие при высоких температурах. Хромирование – насыщение поверхности стальных изделий хромом, обеспечивает повышенную устойчивость против газовой коррозии (окалиностойкость) до 800 ºС, высокую коррозионную стойкость в воде, морской воде и азотной кислоте. Хромирование высокоуглеродистых сталей повышает твердость и износостойкость. Хромированию подвергают детали паросилового оборудования, пароводяной арматуры, клапанов, вентилей, патрубков, детали дизеля тепловоза. Цинкование – наиболее широко используется в технике. На долю цинковых покрытий приходится ~ 60% от общей поверхности металлических покрытий. Цинковые покрытия хорошо защищают железо и его сплавы от коррозии на воздухе и в воде. Толщина цинкового покрытия 6…36 мкм. Оцинкованные листы и полосы применяются в жилищном строительстве (кровля, водосточные трубы), для изготовления емкостей, в автомобильном и железнодорожном транспорте. 4.2.6 Термомеханическая обработка стали. Поиск путей совершенствования дислокационной структуры, получаемой у стали в результате термической обработки, привели к появлению нового вида обработки, сочетающего пластическую деф-цию асустенита с проводимой сразу после нее закалкой и последующим низким отпуском. Этот вид обработки получил название термомеханической обработки (ТМО). ТМО позволяет получить у стали более высокие прочностные показатели и вязкостно - пластичные свойства, чем после обычной закалки и низкого отпуска. Дополнительный положительный эффект при ТМО объясняется предварительным наклепом аустенита во время пластической деф-ции. Последствия этого наклепа передаются мартенситу в виде дополнительных, возникших при наклепе дислокаций, которые складываясь с дислокациями, возникающими при последующем мартенситном превращении, создают (до 1013 см-2) дислокационную структуру. Применяя ТМО, можно повысить у стали σв до 3000 МПа при δ = 6...8%, в то время как при обычной закалке и низком отпуске эти показатели составляют σв - 2000 МПа и δ = 3...4%. Существуют 2 разновидности ТМО: высокотемпературная - ВТМО, низкотемпературная - НТМО. При ВТМО аустенит деформируют при t > Ac3 до степени деформации 20...30%. При НТМО производится деформация переохлаждённого до 400...600°С аустенита. Степень деформации - 75...90%. Более предпочтительна ВТМО. 5. Легированные стали, цветные металлы и сплавы на основе Cu, Al, Ti 5.1 Влияние легирующих элементов на свойства стали Легированными называют стали, в которые для получения требуемых свойств специально вводят легирующие элементы: Mn, Si, Cr, Ni, W, V, Mo, Co, Ti, Zr, Nb и др. При наличии элементов в количестве 0,1% - микролегированные. Легирующие элементы по-разному влияют на свойства стали. Mn повышает прочность, износостойкость, а также глубину прокаливаемости стали при термообработке. Si способствует получению более однородной структуры, положительно сказывается на упругих характеристиках стали. Si способствует магнитным превращениям, а при содержании его в количестве 15…20% придаёт стали кислотоупорность. Cr повышает твёрдость, прочность, а при термообработке увеличивает глубину прокаливаемости, положительно сказывается на жаропрочности, жаростойкости, повышает коррозионную стойкость. Ni действует также, как и Mn. Кроме того, он повышает электрическое сопротивление и снижает коэффициент линейного расширения. W (вольфрам) – уменьшает величину зерна, повышает твёрдость и прочность, улучшает режущие свойства при повышенной температуре. Mo действует как и вольфрам, а также повышает коррозионную стойкость. Все примеси (химические элементы), содержащиеся в стали, можно разделить на 4 группы:
Mn=0,3…0,7%; Si=0,2…0,4%; Al=0,01…0,02%; Ti=0,01…0,02%; S=0,01…0,04%; P=0,01…0,05%.
Влияние легирующих элементов на полиморфные превращения Fe Все элементы, за исключением C, N, H2 и отчасти B (бора), образуют с Fe твёрдые растворы замещения. Они растворяются в Fe и влияют на t-турную область существования альфа- и гамма-железа. Cu, C, N, Ni, Mn и др. понижают т. А3 и повышают т. А4. В результате этого на диаграмме состояния Fe – легирующий элемент наблюдается расширение области гамма-фазы и сужение области существования гамма-фазы (Аустенитные сплавы). Элементы 2-й группы (Cr, B, Як Nb, Mo, V, Si, Al и др.) понижают т. А4 и повышают т. А3 (ферритные сплавы) Углерод чаше повышает растворимость легирующих элементов в гамма-растворе (аустените). Ni, Co, Si, W, Mo, Cr, Mn сдвигают точки S и E диаграммы Fe –Fe3C влево, в сторону меньшего содержания углерода. Влияние легирующих элементов на свойства Ф и А. Легирующие элементы Si, Mn, Mj, элементы, растворённые в Ф, повышают его предел текучести. Легирующие элементы при введении их в сталь в количестве 1…2% снижают ударную вязкость и повышают порог хладноломкости. Исключение составляет Ni, который упрочняет Ф при одновременном увеличении его ударной вязкости и понижении порога хладоломкости. Твёрдость Ф, легированного Cr, Mn и Ni, при быстром охлаждении оказывается более высокой, что связано с образованием структуры мартенситного типа. Структура приобретает игольчатое строение. Твёрдость Ф возрастает. Из-за трудности переохлаждения до низких температур легированный молибденом, вольфрамом и другими элементами гамма-раствор не претерпевает М-го превращения и поэтому не упрочняется при закалке. Легирующие элементы, растворяясь в гамма-железе, повышают прочность аустенита при закалке. Легирующие элементы, растворяясь в гамма-железе, повышают прочность аустенита характерныйизкий предел текучести при сравнительно высоком пределе прочности. Аустенит легко наклёпывается, т.е. быстро и сильно упрочняется под действием деформации. Аустенит парамагнитен, обладает большим коэффициентом теплового расширения. Карбидная фаза в легированных сталях. По отношению к углероду легирующие элементы подразделяют на 2 группы:
Легированные стали по структуре в условиях равновесия можно разделить на следующие классы: доэвтектоидные стали, содержащие эвтектоид и избыточный легированный феррит, эвтектоидные и заэвтектоидные. Последние содержат в структуре эвтектоид и избыточные (вторичные) карбиды типа M3C, выделяющиеся при охлаждении из аустенита. Доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные легированные стали независимо от структуры (дисперсности) эвтектоида обычно объединяют в один класс – перлитные стали. Ледебуритные (карбидные) стали имеют в структуре в литом состоянии эвтектику типа ледебурита, в которой находятся крупные частицы карбида. В результате ковки карбиды принимают форму обособленных глобулей. Количество карбидов в этих сталях достигает 30…35%. Под влиянием легирующих элементов точки S и E диаграммы состояния Fe –Fe3C перемещаются влево. Так, при содержании в стали 5% Cr концентрация углерода в эвтектоиде (т. S) снижается до 0,5%, а предельная растворимость углерода в аустените (т. E) до 1,3%, при 10% Cr т. S соответствует 0,25…0,3% С, т. E – 1,0% C. При низком содержании углерода и большом количестве легирующего элемента, ограничивающего область существования аустенита (Cr, W, Mo, V, Si, Al и др.), образуется сталь, относящаяся к ферритному классу. Структура такой стали при всех температурах состоит из легированного Ф, чаще с некоторым количеством карбидов. При высоком содержании в стали легирующего элемента, расширяющего область гамма-фазы (Ni, Mn), при комнатной температуре можно получить чисто аустенитную структуру. Этот класс сталей, не испытывающий альфа-гамма превращения, называют аустенитным. При повышенном содержании легирующих элементов возникают также полуферритные и полуаустенитные стали. В этих сталях альфа-гамма превращение протекает только частично, и их структура состоит из А и Ф. Легированные стали предложено классифицировать, исходя из структуры, получаемой после охлаждения с 900 С на воздухе. По этой классификации стали делят на 4 класса: Перлитный – сравнительно небольшое количество легирующих элементов; Мартенситный – большее количество легирующих элементов; Аустенитный – ещё большее количество легирующих элементов; Карбидный. Основные легирующие элементы конструкционных сталей: Cr меньше 1,8% (чаще 0,8…1,1%); Ni=0,5…4,5%; Si=0,5…2,8%; Mn=0,8…1,8%. В сочетании с Cr, Ni, Mn: W=0,5…1,2%; Mo=0,15…0,4%; V=0,1…0,3%; Ti=0,06…0,12%; B=0,002…0,005%. Низколегированные - стали, в которых суммарное содержание легирующих элементов не превышает 2,5%; легированные - стали, в которых суммарное содержание легирующих элементов находится в пределах 2,5...10%; высоколегированные - стали, в которых суммарное содержание легирующих элементов более 10% Большинство конструкционных сталей относится к перлитному классу, а в равновесном состоянии - к группе доэктевтоидных. Легированные стали небольшими (сотые доли %) количествами Ti, Nb, Zr, V (микролегирование), образующими труднорастворимые в аустените карбиды, (карбонитриды), измельчают зерно. При этом понижается порог хладноломкости, повышается работа распространения трещины и уменьшается чувствительность к концентраторам напряжений. Легирующие элементы повышают устойчивость мартенсита против отпуска и задерживают коагуляцию карбидов. Поэтому для получения требуемой прочности и твердости легированные стали подвергают отпуску при > высокой температуре, чем углеродистые. Это позволяет полностью снять закалочные напряжения и получить в стали лучшее сочетание прочности и вязкости. |
Похожие:
 | Учебно-методический комплекс по дисциплине «Материаловедение» Дисциплина входит в федеральный компонент цикла общепрофессиональных дисциплин и является обязательной для изучения | | Учебно-методический комплекс ростов-на-Дону 2009 Учебно-методический... Учебно-методический комплекс по дисциплине «Адвокатская деятельность и адвокатура» разработан в соответствии с образовательным стандартом... |
| Учебно-методический комплекс по дисциплине «Макроэкономика» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов заочной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий,... |  | Учебно-методический комплекс по дисциплине «Методы оптимальных решений» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов очной формы обучения, содержит план лекционных, практических и лабораторных... |
| Учебно-методический комплекс по дисциплине «Медиапсихология» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов очной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий, рекомендации... | | Учебно-методический комплекс по дисциплине «Искусствоведение» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов очной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий, рекомендации... |
| Учебно-методический комплекс по дисциплине «Психофизиология» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов заочной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий,... | | Учебно-методический комплекс по дисциплине «судебная медицина» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов очной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий, рекомендации... |
| Примерная структура, состав и содержание учебно-методического комплекса... Учебно-методический комплекс по дисциплине «Социология рекламной деятельности» составлен в соответствии с требованиями Государственного... | | Учебно-методический комплекс по дисциплине «Психология стресса» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов заочной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий,... |
| Учебно-методический комплекс по дисциплине «Психодиагностика» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов очной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий, рекомендации... | | Учебно-методический комплекс по дисциплине «Основы патопсихологии» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов заочной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий,... |
| Учебно-методический комплекс по дисциплине «Анатомия цнс» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов заочной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий,... | | Учебно-методический комплекс по дисциплине «Психофизиология» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов очной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий, рекомендации... |
| Учебно-методический комплекс по дисциплине «земельное право» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов очной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий, рекомендации... | | Учебно-методический комплекс по дисциплине «Основы нейропсихологии» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов заочной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий,... |
