Химико-термическая обработка стали

Она способствует повышению прочности и твердости сплава, его коррозионной стойкости, приданию антифрикционных и износостойких свойств. Этот процесс включает как термо-, так и химическое воздействие на состав, структуру и свойства поверхностного слоя сплава.

Химико-термическая обработка стали базируется на таких процессах, как диссоциация, диффузия и адсорбция. В зависимости от насыщающего элемента она подразделяется на азотирование, цементацию, цианирование и др.

Цементация

Задачей цементации является получение твердой поверхности на деталях из низкоуглеродистой стали при достаточно вязкой сердцевине. Процесс проводится в карбюризаторе при 930-950 ºС, поскольку при такой температуре наиболее устойчив аустенит. Указанным способом обрабатывают как низкоуглеродистые, так и легированные сплавы. На обработку влияет и классификация сталей. Термическая обработка сталей определенных видов требует особых параметров для достижения результата.

Цементацию подразделяют на твердую и газовую. При второй становится возможным получение определенного содержания углерода в поверхностном слое, сокращение продолжительности процесса, автоматизация. Это более совершенный способ в сравнении с твердой цементацией.

Термическая обработка проводится для уменьшения зернистости сердцевины и цементированного слоя, а, следовательно, для улучшения механических свойств. Температурная обработка заключается в двойной закалке и низком отпуске при температурах 160-180 ºС.

Азотирование

Оно предполагает насыщение атомами азота поверхностных слоев деталей из легированных сталей посредством диффузии. В результате происходит реакция азота с легирующими элементами (молибденом, хромом, алюминием) с образованием твердых и стойких соединений – нитридов.

Преимуществом является более низкая температура обработки по сравнению с процессом цементации – 500-600 ºС. Кроме того, азотированный слой обладает более высокими механическими показателями и коррозийной стойкостью (эти свойства сохраняются при температурах до 500 ºС). Характеристики цементованного слоя устойчивы при температурах до 220 ºС.

Цианирование

Это процесс единовременного наполнения поверхности стали атомами азота и углерода. Технология предполагает использование как жидкой, так и газовой фазы. Цианирование может быть также низко- и высокотемпературным.

При жидкостном применяются специальные ванны, наполненные цианистыми и нейтральными солями. После насыщения поверхности азотом процесс фактически превращается в цементацию. При низкотемпературном цианировании детали в дальнейшем подвергаются дополнительной термообработке.

Газовое цементирование происходит в среде, содержащей нитрирующие и цементирующие газы. При таком способе цианирования глубина обработанных слоев достигает 1,8 мм.

 

 

7. Структура и механические свойства чугунов.

Основные положения

Чугунами называются железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2,14%. В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплаве, различают белый, серый, высокопрочный и ковкий чугун.

Чугуны выплавляют в доменных печах, вагранках и электропечах. Выплавляемые в доменных печах чугуны бывают передельными, специальными (ферросплавы) и литейными. Передельные и специальные чугуны используют для последующей выплавки стали и чугуна. В вагранках и электропечах переплавляют литейные чугуны. Около 20% всех выплавляемых чугунов используются для изготовления отливок.

Строительные и машиностроительные чугуны относятся к литейным сплавам. Широкое распространение отливок из чугуна объясняется его высокими литейными свойствами:хорошейжидкотекучестью и малой усадкой, что позволяет получать качественные отливки сложной формы даже при малой толщине стенок.

Изделия, полученные из чугунных отливок значительно дешевле, чем детали изготовленные обработкой резанием из горячекатанных стальных профилей или из поковок и штамповок. Из-за большого количества цементита белые чугуны очень тверды (НВ 450-550) и хрупки. Поэтому для изготовления деталей машин и элементов конструкций они не используются.

В промышленности и строительстве широко применяют серые, высокопрочные и ковкие чугуны, в которых углерод частично или полностью находится в виде графита. Наличие графита в них обеспечивает пониженную твёрдость, хорошую обрабатываемость резанием и высокие антифрикционные свойства благодаря низкому коэффициенту трения. Вместе с тем, включения графита вызывают снижение прочности и пластичности, так как нарушают сплошность металлической основы сплава. Наиболее сильно прочность снижается при растягивающих нагрузках и относительно мало – при сжимающих.

Общая классификация чугунов

Чугуны представлены в современной технике и строительстве большим числом марок (составов) и классифицируются по следующим основным признакам.

1. По способу производства –на передельный чугун, используемый для передела в сталь, и литейный чугун (для изготовления отливок).Кпередельным чугунам относят белый чугун, к литейным – серый, высокопрочный и ковкий.

2. По состоянию углерода (химически связанный или структурно свободный) – на белый, серый и половинчатый чугун; В белом чугуне (такое название он получил по цвету излома) углерод химически связан с железом в виде цементита (Fe3C).

Белый чугун обладает высокой твёрдостью, хрупкостью и плохой обрабатываемостью резанием. Основная масса белого чугуна идёт на переделку в сталь. В сером чугуне (серый излом) углерод находится в свободном состоянии в виде графитовых включений.

Серый чугун отличается от белого меньшей твёрдостью и хрупкостью, а также хорошей обрабатываемостью резанием. Хорошие литейные свойства серого чугуна играют важную роль при получении отливок.

Половинчатый (отбеленный) чугун занимает промежуточное положение между белыми и серыми чугунами. Углерод содержится в нём частично в свободном состоянии в виде графита и частично в связанном – в виде цементита (более.0,8%). Такой чугун имеет структуру перлита, ледебурита и пластинчатого графита. обладает высокой износостойкостью, но плохо обрабатывается резанием. Применяется в качестве фрикционного материала,работающего в условиях сухого трения (тормозные колодки), а также для изготовления деталей повышенной износостойкости (прокатные, бумагоделательные, мукомольные валки).

3. По форме графитных включений (рис.1) – на чугун с пластинчатым графитом (серый чугун), чугун с шаровидным графитом (высокопрочный чугун), чугун с хлопьевидным графитом (ковкий чугун) и чугун с вермикулярным (червеобразным) графитом.

Рис. 1 Классификация графитных включений по форме: а) пластинчатые; б) хлопьевидные; в) шаровидные; г) вермикулярные.

Структура металлической основы не видна, так как шлиф не травлен.

4. По типу структуры металлической основы (рис.2) – на ферритный, перлитный и ферритно-перлитный чугун;

5. По назначению – на конструкционный чугун общего назначения (серый, высокопрочный, ковкий) и чугун со специальными свойствами (антифрикционный, износотойкий коррозионностойкий, жаростойкий, жаропрочный); специальные чугуны являются, как правило, легированными.

6. По химическому составу – на легированный и нелегированный чугун;

7. По технологии получения – на обычный чугун (немодифицированный) и модифицированный чугун. Модифицирование – это введение в расплав чугуна внебольших количествах специальных добавок – модификаторов, которые способствуют измельчению пластинок графита или получению графита в форме шара. В результате модифицирования механические свойства чугуна улучшаются: возрастает прочность, пластичность и вязкость.

Структура, свойства, марки и применение чугунов

Передельные белые чугуны

Белыми (передельными) называются чугуны, в которых углерод практически полностью находится в связанном состоянии в виде цементита.

Цементит (Ц) – сложная структурная составляющая, химическое соединение, карбид железа Fe3Cс содержанием углерода 6,67%. Имеет сложную ромбическую решётку. Цементит очень твёрд (НВ 800) и хрупок (αн = 0).

Из-за большого количества цементита белый чугун имеет высокую твёрдость (НВ 450-550) и прочность, плохо обрабатывается резанием, хрупок. Используется в качестве передельного на сталь и ковкий чугун. Для изготовления деталей машин и элементов конструкций не применяется.

Белые чугуны получаются при ускоренном охлаждении и при переохлаждении жидкого чугуна ниже 1147 0 С, когда в силу структурных и кинетических особенностей будет образовываться метастабильная фаза Fe3C, а не графит.Структура и фазовый состав белых чугунов представлены на метастабильной диаграмме системы Fe – Fe3C.На диаграмме представлены две основные составные части: область сталей (0,02 – 2,14% углерода) и область белых чугунов (2,14 – 6,67% углерода). Сплавы, содержащие менее 0,02% углерода представляют собой техническое железо.

По микроструктуре белые чугуны разделяются на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические.

Доэвтектическими называют чугуны с содержанием углерода от 2,14 до 4,3%. Их структура перлит+цементит+ледебурит перлитовый.

Эвтектические – это чугуны, содержащие 4,3% углерода и состоящие из эвтектики – ледебурита перлитового.

Заэвтектические – чугуны с содержанием углерода от 4,3 до 6,67%. Их структура: ледебурит перлитовый + цементит первичный.

ЛИТЕЙНЫЕ ЧУГУНЫ

В зависимости от формы графитных включений (рис.2) литейные чугуны разделяют на следующие виды: 1) Чугун с пластинчатым графитом (серый чугун); 2) Чугун с шаровидным графитом (высокопрочный; чугун) 3) Чугун с хлопьевидным графитом (ковкий чугун); 4) Чугун с вермикулярным графитом

Серые чугуны

Серым называют чугун, в котором графит преимущественно имеет форму слегка изогнутых пластинок или разветвлённых розеток с пластинчатыми лепестками.(рис 2).Более точное название серого чугуна которое закреплено ГОСTом 1412-85 – чугун с пластинчатым графитом. У серых чугунов хорошие технологические и прочностные свойства, что определяет широкое применение их как конструкционного материала. Наличие графита определяет существенные достоинства серого чугуна: высокие литейные свойства (хорошая жидкотекучесть и малая усадка), хорошая обрабатываемость резанием, так как графит делает стружкуломкой, высокие демпфирующие и антифрикционные свойства.

Высокопрочные серые чугуны

Высокопрочными называются чугуны, в структуре которых имеется графит шаровидной формы. Высокопрочный чугун, характеризующийся шаровидной или близкой к ней формой включений графита, получают модифицированием жидкого чугуна присадками магния или цезия.Высокопрочный чугун обладает хорошими литейными и технологическими свойствами (жидкотекучесть, линейная усадка, обрабатываемость резанием), но по значению сосредоточенной объёмной усадки приближается к стали.

Ковкие чугуны

Ковким называется чугун с хлопьевидным графитом, получаемый из белого чугуна в результате специального графитообразующего отжига (томления).Термин «ковкий чугун» является условным и характеризует пластические, а не технологические свойства чугуна, так как изделия из него, как и из других чугунов получают литьём, а не ковкой.

Получение ковкого чугуна

Процесс получения отливок из ковкого чугуна включает две операции:

* Получение фасонных отливок из белого чугуна;

*Графитизирующий отжиг полученных отливок с целью распада цементита белого чугуна и образования графита хлопьевидной формы.

В результате отжига из хрупкого и твёрдого белого чугуна получается более пластичный и менее хрупкий ковкий чугун.