Цианирование и нитроцементация стали

Поверхностное насыщение стали одновременно углеродом и азотом; в расплавленной цианистой соли называют цианированием, а в газовой среде — нитроцементацией. Целью цианирования (нитроцементации) является получение высокой твердости и износостойкости поверхности деталей с сохранением пластичной сердцевины. Цианированию и нитроцементации подвергают детали из сталей с содержанием углерода 0,2…0,4 %.

При цианировании детали нагревают в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий NаСN, при температуре 820…960°С.

Если необходим тонкий слой (0,15…0,35мм), цианирование ведут при температуре 820…860°С с выдержкой 30…90 мин в цианистых ваннах, содержащих по массе 20…25% NaCH, 25…50% NаС1 и 25…50 % Nа₂СО₃. При нагреве происходят следующие реакции:

 

2NаСN + О₂ →2NаСNО

2NаСNО + О₂ → Nа₂СО₃ + СО + 2N

2СО→ СО₂ + С

Образующиеся атомарный азот и углерод диффундируют в сталь. Цианированный слой содержит 0,6…0,7 % С и 0,8…1,2 % N. После цианирования детали закаливают непосредственно из цианистой ванны и затем подвергают низкому отпуску (180…200⁰С). Твердость цианированного слоя после термической обработки HRС 58…62.

Для получения слоя толщиной от 0,5 до 2,0мм цианирование ведут при температуре 930…960°С с выдержкой 1,5…6 ч в цианистой ванне, содержащей 8 % NаСN, 10 % NaС1, 82 % ВаС1₂.

При нагреве в ванне происходят следующие реакции:

 

2NаСN + ВаС1₂ →2NаС1 + Ва (СN)₂

Ва(СN) →ВаСN₂ + С

ВаСN₂ + 0₂→ВаО + СО + 2N

Цианированный слой содержит 0,8…1,2 % С и 0,2…0,3 % N. При высокой температуре цианирования (930…960°С) происходит рост зерна аустенита. Поэтому детали после цианирования непосредственной закалке не подвергают, а охлаждают на воздухе и затем проводят закалку и низкий отпуск.

Недостатком цианирования является сильная токсичность циани­стых солей. Поэтому цианистые ванны устанавливают в отдельном помещении, с вентиляцией к каждой ванну. При работе требуется большая осторожность и тщательное соблюдение правил техники безопасности.

При нитроцементации детали нагревают в газовой смеси, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Таким образом, при нитроцементации.совмещают процессы газовой цементации и азотирования. Обычно используют эндогаз, к которому добавляют 3…5 % природного газа и 3…5 % аммиака. Кроме того, применяют специальный жидкий карбюризатор.— триэтаноламин (С₂Н₅О)₃N, вводимый в виде капель в рабочее пространство шахтной печи.

Чтобы получить нитроцементированный слой толщиной 0,2…1,0мм, процесс ведут при температуре 850…870°С в течение 2…10 ч. После нитроцементации детали закаливают и затем подвергают низкому отпуску. Поверхностная твердость после термической обработки HRС60…62.

Нитроцементаиия деталей имеет следующие преимущества по срав­нению с газовой цементацией: более низкая температура процесса, меньшая продолжительность, большая износостойкость и меньшее коробление деталей; по сравнению с цианированием — безвредность процесса, возможность регулирования насыщения слоя азотом и угле­родом путем изменения содержания аммиака и науглероживающего газа.

Процесс нитроцементации наряду с газовой цементацией является основным методом химико-термической обработки. Нитроцементация применяется для обработки широкой номенклатуры деталей и посте­пенно этот процесс вытесняет не только цианирование, но и газовую цементацию.

 

 

Вопросы для повторения и закрепления:

1. Чем насыщается поверхностный слой детали при цианировании?

2. В чём различие между цианированием и нитроцементацией?

3. С какой целью проводится нитроцементация?

 

 

Задание:

Составить план ответа по разделу «Химико- термическая обработка стали»

 

МЕДЬ. СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ МЕДИ

Свойства меди

Медь — металл красного (светло-розового) цвета с плотностью 8,9 Мг/м³ и температурой плавления 1083°С, имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку; не подвержен алло­тропическим превращениям.

Широкое применение меди обусловлено рядом ее ценных свойств, и прежде всего высокой электро- и теплопроводностью, пла­стичностью, коррозионной стойкостью, хорошей жидкотекучестью и др. Медь и ее сплавы обрабатываются давлением, свариваются всеми видами сварки и легко поддаются пайке.

Механические характеристики чистой меди (прокатанной и ото­жженной): σ_В = 250…270 МПа; δ= 40…50%; ψ= 75%; НВ 45.

На структуру и свойства меди существенное влияние оказывают примеси. Например, алюминий, железо, мышьяк, фосфор и сурь­ма снижают электро- и теплопроводность меди. Примеси, нераство­римые в меди, отрицательно сказываются на механических и тех­нологических свойствах. Так, висмут вызывает хладноломкость меди, кислород понижает пластичность и коррозионные свойства, водород делает ее хрупкой и при деформировании вызывает растрес­кивание. Это явление известно под названием «водородной болез­ни». Свинец, взаимодействуя с медью, образует легкоплавкую эв­тектику (326°С) и приводит к горячеломкости меди. Кислород с ме­дью образует соединение Си₂О, которое отрицательно влияет на пластические свойства, технологичность и коррозионные свойства. Сера с медью образует соединение Си₂S, которое приводит к хлад­ноломкости и снижает пластичность при горячей и холодной обра­ботке давлением. Фосфор повышает механические свойства и жидкотекучесть, он способствует сварке и широко применяется как раскислитель. Селен и теллур образуют с медью соединения Си₂Sе и Си₂Те, которые ухудшают свариваемость, снижают пластичность, но значительно улучшают обрабатываемость резанием.

Медь применяется для изготовления электрических проводов и кабелей, используется в качестве легирующей добавки в различные металлические сплавы; в машиностроении идет на изготовление теплообменников, сварочной проволоки, деталей и узлов подвиж­ного состава железных дорог, судов, самолетов и т.д. На основе меди получены важные промышленные сплавы (латуни, бронзы, медно-никелевые и др.).

 

Вопросы и задания для повторения и закрепления:

1. Что определяет структуру и свойства меди?

2. Что известно об основных свойствах меди?

3. Где применяется медь в промышленности?

 

Латунь

Латунями называют группу сплавов, где основными компо­нентами являются медь и цинк. В группу латуней входят томпак (90 % и более меди, остальное — цинк, если эти сплавы содержат от 79 до 86 % меди, их называют полутомпак) и много других, не только двойных, но и более слож­ных сплавов. Механическая проч­ность латуней выше, чем меди, и они хорошо обрабатываются резани­ем. Большим их преимуществом явля­ется их пониженная стоимость, так как цинк значительно дешевле меди. Латуни широко применяют в прибо­ростроении, в общем и химическом машиностроении.

Наиболее широко применя­ют латуни, содержащие до 40 % цинка Эти латуни пла­стичны, хорошо обрабатываются дав­лением в горячем состоянии,

коррозионностойкие. Вследствие близкого расположения линий ликвидуса и солидуса в системе медь — цинк латуни имеют хорошие литейные свойства (большая жидкотекучесть, отсутствие ликвации, малая усадка и др.). Но при их заливке и формы необходима хорошая вентиляция цеха, так как пары, выде­ляющиеся из жидких латуней, вредно влияют на организм человека. Все латуни по технологическому признаку делят на деформируемые, из которых изготовляют листы, ленты, трубы, проволоку, и литей­ные — для фасонного литья.

Медно-цинковые деформируемые латуни выпускают восьми марок: Л96, Л90, Л85, Л80, Л70, Л68, Л63, Л60.

В обозначениях марок латуней более сложного состава после буквы Л следует сокращенное обозначение легирующих элементов: О — олово, С — свинец, Ж — железо, Мц — марганец, Н — никель, К — кремний, А — алюминий и т. д., а после них цифры, указывающие содержание меди и других компонентов; Так, например, ЛС-59 обозначает: латунь свинцовистая, содержащая от 57 до 60 % меди и от 0,8 до 1,5 свинца; ЛМцА-57-3-1 — латунь марганцовистоалюминиевая, содержащая 2,5…3,5 % марганца и 0,5…1,5 % алюминия. Добавки этих металлов к латуням повышают их механически свойства, улучшают их обрабатываемость или коррозионную стойкость. Так, добавки никеля повышают прочность и коррозионную стойкость; добавки свинца ухудшают механические свойства латуней, но улучшают обрабатываемость резанием. Микроструктура латуней приведена на рис. 13.1.

Рис. 13.1. Микроструктура латуни:

а – отожженная латунь с характерными двойниками;

б – литой α + β- латуни (светлые α -кристаллы, тёмное поле β -фаза)

 

В литейных латунях цифровые обозначения содержания меди и добавок ставить не принято. Так, например, латунь, содержащая 56…61 % меди и 0,8…1,5 % свинца, обозначается ЛС. Такая латунь предназначается для литья под давлением и других видов литья деталей для газовой, санитарной, гидравлической, пневматической аппаратуры и для электротехнических деталей.

Кремнистые латуни ЛК и ЛКС, содержащие 80 % меди, 3 % кремния, а последняя и 3 % свинца, применяют для изготовления литье сложных по конфигурации деталей приборов и арматуры, работающих в морской воде, шестерен и других трущихся деталей, так как это сплав имеет повышенную коррозионную стойкость и обладает антифрикционными свойствами. Латунь ЛАЖМц, содержащая 63…70 % меди, 4,0…7,0% алюминия, 1,5…3,0% марганца, 2,0…4,0 % железа предназначена для конструкционных деталей ответственного назначения, работающих при высоких знакопеременных нагрузках.

 

Вопросы для повторения и закрепления:

1. Какой сплав меди называется латунь?

2. Как маркируются латуни?

Бронза

Бронзами называют группу сплавов меди со всеми металлами, кроме цинка и никеля.

В настоящее время бронзы используют при изготовлении арматуры газовых, топливо- и водопроводных систем, в химическом машиностроении и многих других отраслях промышленности. Малый коэффициент трения и устойчивость к износу делает их незаменимыми при изготовлении вкладышей подшипников, червячных колес, шестерен и других деталей ответственных и точных приборов.

Бронзы маркируют русскими буквами Бр, после которых, как в латунях, указывают другие компоненты (кроме меди а в конце — цифрами процентное содержание компонентов. Легирующие элементы обозначают: О — олово, А — алюминий, Ф — фосфор, Т — титан, Ц — цинк и др. Так, Бр.ОЦ4-3 обоз­начает, что в бронзе в среднем 4% олова, 3% цинка, остальное — медь.

Большинство современных бронз редко содержат больше 7 % олова и обычно имеют однофазную структуру, состоящую из α -кристаллов. Микроструктура оловянной бронзы приведена на рис. 13.2.

Рис. 13.2 Микроструктура оловянной бронзы с 5 % олова;

слева – литая (дендритное строение);

 

Олово — дорогой и дефицитный металл, поэтому широкое применение нашли заменители оловянистых бронз, именуемые безоловянистыми бронзами. К ним следует отнести в первую очередь алюминиевые бронзы, например Бр.А5, и более сложные —обрабатываемые давлением, алюминиевожелезомарганцовистые, например, Бр.АЖМц10-3-1,5. Это — устойчивые против коррозии, жаропрочные и износостойкие сплавы. Они используются для изготовления деталей химической аппаратуры, а Бр.А5 — для изготовления монет.

Алюминиевые бронзы с содержанием алюминия до 10 % характеризуются хорошей жидкотекучестью, малой ликвацией, хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии, так как эти сплавы образуют однофазный твердый раствор алюминия в меди. Добавка никеля, железа, марганца и свинца улучшают механические г некоторые технологические свойства алюминиевых бронз. В качестве примера можно привести литейную бронзу Бр.А10Ж3 и Бр.А10ЖЗМц2.

Высокими механическими свойствами, пластичностью и коррозионной стойкостью отличаются кремнистые бронзы; например Бр. КН-1-3 содержащая 0,6…1,1 % кремния, 2,4…3,4 % никеля, и марганцовистые бронзы, например Бр.Мц5, содержащая 4,5…5,5 % марганца.

Очень большой прочностью и у пру гостью обладают бериллиевая бронза Бр.Б2, в состав которой входят 1,8…2,1 % бериллия и 0,2…0,5 % никеля (остальное медь), и некоторые другие. Из них изготовляют пружины, пружинящие контакты ответственных приборов и многое другое.

В последнее время получил известность сплав меди и никеля мельхиор: белый блестящий, не окисляющийся на воздухе и в органических кислотах сплав, иногда называемый за свой вид китайским серебром. Он содержит около 80 % меди и 20 % никеля (Нередко часть никеля и меди заменяют цинком.) Из мельхиора изготовляют украшения, столовые и чайные приборы. Для изготовления монет применяют так называемый монель-металл (68 % Ni, 28 % Си и небольшие добавки марганца и железа). Высокая коррозионная стойкости этого сплава, хорошие механические свойства и легкая обрабатываемость сделали возможным его использование не только для изготовления разменной монеты, но и как материал для хирургических инструментов, деталей машин и приборов.

 

 

Вопросы и задания для повторения и закрепления:

1. Какие основные свойства бронзы?.

2. Какие свойства имеют медно-никелевые сплавы?

3. Как маркируется бронза?

 

 

Задание:

Составить план ответа по разделу «Медь. Сплавы на основе меди»

 

АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ

Алюминий — второй, самый распространенный (после железа) металл в современной технике. Наиболее важным свойством алюминия, определяющим его широкое применение, является его небольшая плотность (ρ = 2,7 Мг/м³), т. е. алюминий почти в три раза легче железа.

Вторым очень важным свойством алюминия является высокая электропроводимость,- которая составляет 57 % электропроводности меди. Температура плавления алюминия 660°С, температура кипения около 2500°С.

Кроме того, из свойств алюминия следует отметить его хорошую теплопроводностъ и теплоемкость. Алюминий очень быстро окисляется на воздухе, покрываясь тонкой пленкой окиси, которая в отличие от окиси железа не пропускает кислород в толщу металла. Следовательно, алюминий, несмотря на быстрое окисление, при нормальных условиях коррозионностоек. Его кристаллическая решетка — гранецентрированный куб с параметром а = 0,404нм. Никаких аллотропических превращений у алюминия не обнаружено.

Механические свойства алюминия сравнительно невысоки. Предел прочности на растяжение σ _В = 90…180 МПа; твердость НВ 20…40; он имеет высокую пластичность, что дает возможность прокатывать его в очень тонкие листы. Необходимо отметить, однако, трудность обработки чистого алюминия резанием, а также относительно высокую линейную усадку — 1,8 %.

Для устранения этих отрицательных свойств в алюминий вводят различные добавки. Так возникло большое количество различных сплавов алюминия, в которых эти недостатки устранены полностью или частично. В настоящее время в технике известно несколько сот различных алюминиевых сплавов.

Алюминий и его сплавы широко применяются в машиностроении изготовления различных транспортных аппаратов. В технике очень важно, чтобы собственная масса транспортной машины была минимальна, что дает возможность при той же мощности двигателя повысить грузоподъемность аппарата. Использование алюминия в авиа­ции хорошо известно, а последнее время он стал широко применяться для изготовления многих деталей железнодорожных вагонов, автомобилей и подъемных кранов, различных конструкций.

Алюминий применяется в металлургии, где используется его боль­шие сродство к кислороду, для получения в чистом виде дорогих и редких металлов, – например хрома, ванадия и др. Низкие сорта алюминия используются для раскисления стали.

Алюминиевые сплавы принято делить на две группы: де­формируемые и литейные сплавы. Иногда первую группу делят на две подгруппы: сплавы, не упрочняемые термообработкой, и сплавы, упрочняемые термообработкой.

 

Вопросы и задания для повторения и закрепления:

1. На какие группы и подгруппы делятся алюминиевые сплавы?

2. Какими свойствами обладает алюминий.