1. Атомнокристаллическое строение металлов. Основные типы кристаллических решеток. Анизотропия. Полиморфизм
 Скачать 1.38 Mb.
|
|
43. Способы поверхностного упрочнения стальных изделий. Наклеп. 1) Упрочнение методами пластической деформации 2) Поверхностная закалка состоит в нагреве поверхностного слоя стали выше АС3 с последующим охлаждением для получения высокой твердости и прочности в поверхностном слое детали в сочетании с вязкой сердцевиной. 3) Химико-термической обработкой (ХТО) называется термическая обработка, заключающаяся в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали. 1. Образование активных атомов в насыщающей среде вблизи поверхности или непосредственно на поверхности металла. 2. Адсорбция (сорбция) образовавшихся активных атомов поверхностью насыщения. 3. Диффузия — перемещение адсорбированных атомов в решетке обрабатываемого металла. А) Цементация - процесс высокотемпературного насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Б) Азотирование - подразумевается процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стального изделия или детали азотом при нагреве в соответствующей среде. В) Нитроцементация или цианирование стали — процессы химико-термической обработки, заключающиеся в высокотемпературном насыщении поверхности изделия азотом и углеродом. Г) Борирование — процесс химико-термической обработки, состоящий в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали бором при высокотемпературной выдержке в соответствующих насыщающих средах. Наклѐп — упрочнение металлов и сплавов вследствие изменения их структуры и фазового состава в процессе пластической деформации, при температуре ниже температуры рекристаллизации. Наклѐп сопровождается увеличением прочности и твѐрдости и снижением пластичности, ударной вязкости, сопротивления металлов деформации противоположного знака (эффект Баушингера). Различают два вида наклѐпа: фазовый и деформационный. Деформационный наклѐп является результатом действия внешних деформационных сил. При фазовом наклѐпе источником деформаций служат фазовые превращения, в результате которых образуются новые фазы с отличным от исходной(ых) удельными объѐмами. Деформационный наклѐп: 1. Дробеструйный наклѐп — упрочнение, которое достигается за счѐт кинетической энергии потока чугунной или стальной дроби, направляемым скоростным потоком воздуха, или роторным дробомѐтом. 2. Центробежно-шариковый наклѐп — создаѐтся за счѐт кинетической энергии шариков (роликов), расположенных на переферии обода, взаимодействуют с обрабатываемой поверхностью и отбрасываются вглубь гнезда. 44. Поверхностная закалка сталей (ТВЧ), режим термической обработки. В результате поверхностной закалки увеличивается твердость поверхностных слоев изделия с одновременным повышением сопротивления истиранию и предела выносливости. Общим для всех видов поверхностной закалки является нагрев поверхностного слоя детали до температуры закалки с последующим быстрым охлаждением. Эти способы различаются методами нагрева деталей. Толщина закаленного слоя при поверхностной закалке определяется глубиной нагрева. Наибольшее распространение имеют электротермическая закалка с нагревом изделий токами высокой частоты (ТВЧ) и газопламенная закалка с нагревом газово- кислородным или кислородно-керосиновым пламенем. Закалка токами высокой частоты основана на том, что если в переменное магнитное поле, создаваемое проводником-индуктором, поместить металлическую деталь, то в ней будут индуцироваться вихревые токи, вызывающие нагрев металла. Чем больше частота тока, тем тоньше получается закаленный слой. Индукторы изготавливаются из медных трубок, внутри которых циркулирует вода, благодаря чему они не нагреваются. Форма индуктора соответствует внешней форме изделия, при этом необходимо постоянство зазора между индуктором и поверхностью изделия. Схема технологического процесса закалки ТВЧ представлена на рис. 16.2. После нагрева в течение 3…5 с индуктора 2 деталь 1 быстро перемещается в специальное охлаждающее устройство – спрейер 3, через отверстия которого на нагретую поверхность разбрызгивается закалочная жидкость. Высокая скорость нагрева смещает фазовые превращения в область более высоких температур. Температура закалки при нагреве токами высокой частоты должна быть выше, чем при обычном нагреве. При правильных режимах нагрева после охлаждения получается структура мелкоигольчатого мартенсита. Твердость повышается на 2…4 HRC по сравнению с обычной закалкой, возрастает износостойкость и предел выносливости. Перед закалкой ТВЧ изделие подвергают нормализации, а после закалки низкому отпуску при температуре 150…200 o С (самоотпуск). Наиболее целесообразно использовать этот метод для изделий из сталей с содержанием углерода более 0,4 %. Целесообразно использовать в серийном и массовом производстве. Преимущества метода: 1) большая экономичность, нет необходимости нагревать все изделие; 2) более высокие механические свойства; 3) отсутствие обезуглероживания и окисления поверхности детали; 4) снижение брака по короблению и образованию закалочных трещин; 5) возможность автоматизации процесса; 6) использование закалки ТВЧ позволяет заменить легированные стали на более дешевые углеродистые; 7) позволяет проводить закалку отдельных участков детали. Основной недостаток метода – высокая стоимость индукционных установок и индукторов. 45. Цементация. Виды цементации. Термическая обработка цементированных изделий. Под цементацией принято понимать процесс высокотемпературного насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Так как углерод в α-фазе практически нерастворим, то процесс цементации осуществляется в интервале температур 930– 950 °С — т. е. выше α → γ-превращения. Структура поверхностного слоя цементованного изделия представляет собой структуру заэвтектоидной стали (перлит и цементит вторичный), поэтому для придания стали окончательных — эксплуатационных — свойств после процесса цементации необходимо выполнить режим термической обработки, состоящий в закалке и низком отпуске; температурно-временные параметры режима термической обработки назначаются в зависимости от химического состава стали, ответственности, назначения и геометрических размеров цементованного изделия. Обычно применяется закалка с температуры цементации непосредственно после завершения процесса химико- термической обработки или после подстуживания до 800–850 °С и повторного нагрева выше точки АС3 центральной (нецементованной) части изделия. После закалки следует отпуск при температурах 160–180 °С. Цементация применяется сталей типа Ст2, 10, 20, 15Х, 20ХНМ, 12Х2Н4А, 18Х2Н4ВА и др., шарикоподшипников — ШХ15, 7Х3, коррозионностойких 10Х13, 20Х13 и т. д. Стали, рекомендуемые для цементации, должны обладать хорошей прокаливаемостью и закаливаемостью цементованного слоя, которые должны обеспечить требуемый уровень прочности, износостойкости и твердости. Цементация производится в углероднасыщенных твердых, жидких или газообразных средах, называемых карбюризаторами. 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 %). 46. Азотирование. Стали для азотирования.; режим термической обработки. Азотирование – химико-термическая обработка, при которой поверхностные слои насыщаются азотом. При азотировании увеличиваются не только твердость и износостойкость, но также повышается коррозионная стойкость. При азотировании изделия загружают в герметичные печи, куда поступает аммиак NH 3 c определенной скоростью. При нагреве аммиак диссоциирует по реакции: 2NH 3 >2N+3H 2 . Атомарный азот поглощается поверхностью и диффундирует вглубь изделия. Фазы, получающиеся в азотированном слое углеродистых сталей, не обеспечивают высокой твердость, и образующийся слой хрупкий. Азотированию подвергаются самые разнообразные по составу и назначению стали — конструкционные и инструментальные, жаропрочные и коррозионностойкие, спеченные порошковые стали, а также ряд тугоплавких материалов. Для азотирования используют стали, содержащие алюминий, молибден, хром, титан. Нитриды этих элементов дисперсны и обладают высокой твердостью и термической устойчивостью. Типовые азотируемые стали: 38ХМЮА, 35ХМЮА, 30ХТ2Н3Ю. Глубина и поверхностная твердость азотированного слоя зависят от ряда факторов, из которых основные: температура азотирования, продолжительность азотирования и состав азотируемой стали. В зависимости от условий работы деталей различают азотирование: 1) для повышения поверхностной твердости и износостойкости (500…560 o С в течение 24…90 часов); 2) для улучшения коррозионной стойкости (антикоррозионное азотирование). Значительное сокращение времени азотирования достигается при ионном азотировании, когда между катодом (деталью) и анодом (контейнерной установкой) возбуждается тлеющий разряд. Антикоррозионное азотирование проводят и для легированных, и для углеродистых сталей. Температура проведения азотирования – 650…700 o С, продолжительность процесса – 10 часов. На поверхности образуется слой ε — фазы толщиной 0,01…0,03 мм, который обладает высокой стойкостью против коррозии. (ε– фаза – твердый раствор на основе нитрида железа Fe 3 N, имеющий гексагональную решетку). Азотирование проводят на готовых изделиях, прошедших окончательную механическую и термическую обработку (закалка с высоким отпуском). Термическая обработка инструментальных сталей после азотирования производится по следующему режиму: закалка с температур 1000–1050 °С и затем, для повышения ударной вязкости, первый отпуск выполняется при температуре 350 °С, а последующие — при 560 °С. После азотирования в сердцевине изделия сохраняется структура сорбита, которая обеспечивает повышенную прочность и вязкость. 47. Цианирование сталей. Цианирование - процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при температурах 600–1200 °С в расплавленных солях, содержащих группу NaCN (значительно ниже температур цементации и температур фазовых превращений). Различают низко-, средне- и высокотемпературное цианирование. Наиболее часто это насыщение применяют для деталей, работающих на износ: винтов, шайб, осей, шестерѐн, а также инструментов из быстрорежущей и высокохромистой сталей; стойкость инструмента при этом повышается в полтора два раза.Среднетемпературное цианирование сталей проводят в ванне, содержащей 20-25%NaCN и 25-50% Na2Cl3 25- 50%NaCl при 820-960’С в течении 30- 90 мин для получения слоя небольшой толщины (0.15-0.36 мм) После цианирования при таких сравнительно невысоких температурах следует закалка непосредственно из ванны и низкий отпуск при 160-200 ‘С Твѐрдость слоя достигает HRCэ 59-63. Высокотемпературное цианирование проводят в ваннах, содержащих 8% NaCN, 8% BaCl 10% NaCl при 930-950 ‘C в течение 1.5-6 часов для получения слоя толщиной 0.5-2.0 мм. При цианировании в большей степени поверхность насыщается углеродом. После цианирования детали охлаждают на воздухе, а затем для измельчения зерна закаливают и подвергают низкому отпуску.Низкотемпературное цианирование проводят в ваннах, содержащих 50-90% активных солей NaCN или NaCN и KCN, а остальные – неактивные соли – Na2CO3, NaCl, NaOH, KCH, при температурах 500-600 и иногда 700C Преимущественно идѐт насыщение азотом. При температурах 550-570'C азотируют инструмент из быстрорежущих сталей после окончательной термической обработки. Толщина слоя 0.01-0.015 мм для инструментов с тонкой режущей кромкой. Продолжительность процесса от 10-15 мин до 2 ч. Преимущества цианирования по сравнению с цементацией – значительно меньшая продолжительность процесса и более высокая износостойкость и коррозионная стойкость. 49 Алюминий не имеет полиморфных превращений, его характерные свойства - малый удельный вес (2,7 кг/м3), относительно низкая температура плавления (660 °С), высокая пластичность при сравнительно невысокой прочности. У катаного и отожжѐнного алюминия Сигмав =100 МПа, НВ = 250 МПа, сигма = 35 %. Несмотря на высокую химическую активность, алюминий достаточно коррозионно-устойчив, так как на его поверхности образуется плотная защитная пленка А120з. Алюминий и его сплавы хорошо поддаются горячей и холодной деформации - прокатке, ковке, прессованию, волочению, гибке, листовой штамповке и другим операциям. Алюминиевые сплавы можно соединять точечной сваркой Все алюминиевые сплавы разделяют на две основные группы: 1. Литейные относят силумины - сплавы алюминия с кремнием почти эвтектического состава Обычно силумин со-держит 12-13 % Si и имеет в основном грубую игольчатую структуру эвтектики (А1 + + Si). Механические ха- рактеристики такого силумина невысоки: ав = = 120-140 МПа; 5 = 3%. Путѐм модифицирования грубую эвтектику можно сильно измельчить, вследствие чего механические характеристики сплава заметно возрастают: <уа = 180—220 МПа; 5 = 8-10%. Для модифицирования в сплав перед разливкой в ковш вводят незначительное количество модификатора (смесь солей натрия). 2. деформируемые. упрочняемым термической обработкой. Сплав можно считать в основном сплавом системы Al-Сu с добавками магния, марганца, железа и др. 48. Диффузионная металлизация (алит, хромир, силиц, борирование). Диффузионная металлизация - процесс, основанный на диффузионном насыщении поверхностных слоѐв изделий из металлов и сплавов различными металлами. Д. м. проводят, чтобы придать поверхности металлических деталей специальные физико-химические и механические свойства. В зависимости от диффундирующего элемента различают: алитирование, диффузионное хромирование, молибденирование; марганценирование, хромоалитирование, хромотитанирование и другие виды. Диффузионное насыщение возможно из различных фаз: твѐрдой, паровой, газовой и жидкой.Алитирование - насыщение поверхности стальных и др. металлических деталей алюминием с целью повышения окалиностойкости до t 1100°С и сопротивления атмосферной коррозии. Хромирование - нанесение хрома или его сплава на металлическое изделие для придания поверхности комплекса физико-химических свойств: высокого сопротивления коррозии, износостойкости, жаростойкости, высоких механических и электромагнитных свойств. наиболее распространены электролитический и диффузионный.Силицирование - процесс химико-термической обработки, состоящий в высокотемпературном (950–1100 °С) насыщении поверхности стали кремнием. Силицирование придаѐт стали высокую коррозионную стойкость в морской воде, в азотной, серной и соляной кислотах и несколько увеличивает стойкость против износа. Силицирование может производиться в газообразных и жидких средах как электролизным, так и безэлектролизным методом. Борирование — химико-термическая обработка, заключающаеся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали бором при нагреве в соответствующей среде (упрочнение поверхностей). Борирование чаще всего проводят при электролизе расплавленной буры применяют для повышения износостойкости втулок грязевых нефтяных насосов, дисков пяты турбобура, вытяжных, гибочных и формовочных штампов, деталей пресс-форм и машин литья под давлением. 50 Титан — легкий серебристо-белый металл Имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, и поэтому требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок.При обычной температуре покрывается защитной плѐнкой оксида TiO2, благодаря этому коррозионностоек в большинстве сред (кроме щелочной). ВТ22 – высокопрочный свариваемый титановый сплав с высокой прокаливаемостью, широко применен в изделиях авиационной техники ВТ22М – усовершенствованный высокопрочный свариваемый титановый сплав для изготовления крупногабаритных деталей ВТ22И – изготовления точных штамповок методом изотермического деформирования в условиях сверхпластичности. Обеспечивает возможность изготовления тонкостенных деталей сложной конфигурации (панелей, крышек люков, с однородной мелкозернистой структурой, высоким и стаб. уровнем механических свойств. Титан и его сплавы применяют обычно после термической обработки (отжига, закалки, старения). Отжиг применяют для технического титана и a - титановых сплавов для снятия наклепа после деформации Для упрочнения титановых сплавов проводят также и азотирование, значительно повышающее прочность поверхностных слоев. Для устранения хрупкости азотированного слоя и улучшения его сцепления с основным материалом, применяют отжиг при 800…900 °С в инертной атмосфере или вакууме. Заметного повышения износостойкости и коррозионной стойкости достигают и оксидированием, т. е. нагревом до 725…850 °С на воздухе в течение 5…1 ч, с последующим вакуумным отжигом при 750…850 °С 51 Подшипниковые (антифрикционные) сплавы должны удовлетворять следующим основным требованиям: обладать неоднородной структурой, улучшающей подвод масла к вращающемуся валу, прочностью на сжатие и на истирание и достаточной твердостью. В зависимости от удельного давления вала и скорости вращения применяют подшипниковые сплавы следующих трех групп: 1. На основе железа — серый и ковкий антифрикционный чугун. Вкладыши подшипников из чугуна применяют при невысоких удельных давлениях и при скорости вращения до. 5 м/сек. Подшипниковый серый чугун представляет собой перлитный, чугун с мелкими графитными включениями марки СЧ-18- 36 или СЧ-28-48. 2. Подшипниковые сплавы на медной основе — бронзы —используются при более тяжелых условиях работы. Широкое применение имеют бронзы БрОФ 6,5-15, БрОЦС 4-4-4 и особенно свинцовистая бронза БрСЗО. 3. Белые антифрикционные сплавы — баббиты — применяют; для заливки вкладышей подшипников. Многие составы этих сплавов были разработаны советским ученым проф. А.М. Бочваром. Баббит — антифрикционный сплав на основе олова или свинца, предназначенный для использования в виде слоя, залитого или напыленного по корпусу вкладыша подшипника. 52 Медь и ее сплавы это латуни и бронзы. Медь плавится при 1083°С, плотность 8, 94 кг/дмі, ГЦК – решетка, диамагнитна, не имеет полиморфизма, отлично электро- и теплопроводна. Вредные элементы : Pb, O, H, Se, S, Te придают красноломкость, хрупкость, хладноломкость,трещиночувств. Сплавы меди с цинком называются латунями. Они содержат до 45% Zn. Сплавы меди с другими элементами таблицы Менделеева (Ag, Al, Au, Cd, Fe, Ni, Ptи др.) называются бронзами. Латуни бывают деформируемые и литейные . Деформируемые латуни обозначаются буквой «Л» и цифрой, показывающей содержание меди (Л96, Л63). Часто латуни легируют Pb, Sn, Fe, Al, Si, Mn, Ni и др. элементами с целью придания определенных свойств. В этом случае ставят после Л обозначение элемента соответственно Ж, А, С, Мц, Н и т.д. Числа показывают содержание меди и последующих легирующих элементов. Например: ЛАНМц59 – 3 – 2 – 2 содержит Cu – 59%, Al – 3%, Ni – 2%, Mn – 2%, Zn – остальное – 34%. Литейные латуни обозначаются буквами ЛЦ с цифрой указывающей со- держание Zn. Их так же легируют другими элементами, например, Лц23А6Ж2Мц2 содержат: 23% – Zn, 6% – Al, 2% – Fe, 2% – Mn. По сравнению с медью латуни обладают большей прочностью, твердостью, коррозионной стойкостью, жидкотекучестью, отлично обрабатываются давлением (ά – латуни) на лист, сорт, трубы, специальный профиль. Из литейных латуней изготавливают запорную арматуру, задвижки, подшипниковые вкладыши и многое другое. Бронзы маркируют буквами Бр. В деформируемых бронзах (Гост 5017- 74,18185-78) после этих букв указывают легирующие элементы, а в конце их содержание. Например, Бр0Ф6,5-04 содержит 6,5% Sn и 0,4% P, остальное медь. Литейные бронзы маркируются с букв. Бр, затем легирующий элемент с цифрой и т.д. Например, Бр03Ц12С5 содержит Sn – 3%, Zn – 12%, Pb – 5%, основа Cu. Бронзы оловянистые бывают одно – и двухфазные. С увеличением содержания олова прочность увеличивается в связи с появлением, кроме ά – фазы, δ – фазы. Оловянистые бронзы бывают деформируемые и литейные. Деформируемые бронзы имеют однофазную ά – структуру, их обычно легируют фосфором (до 0,4%). К ним относятся, например, БрОФ65 – 04, БрОЦ4 -3, БрОЦС4 – 4 – 25 и т.д. Для удешевления оловянистой бронзы в нее добавляют 5 – 10% Zn, 3 – 5% Pb, чтобы получать БрОЦС 5 – 5 – 5. Литейные оловянистые бронзы Бр03Ц12С5, Бр03Ц7С5Н1, Бр05Ц5С5, Бр05С25, Бр010ФЛ и др. обычно имеют двухфазную структуру (ά + δ). Они химстойки, антифрикционны. Из них изготавливают запорную арматуру, подшипники скольжения. Фосфор вводят для легирования и лучшего раскисления от CuO, SnO. Применяют так же алюминиевые бронзы (БрA5), алюминиево- железистые (БрА9ЖЗ), алюминиево-марганцовистые (БрАМц 9 – 2), алюминиево-железо-никелиевые БрАЖН10 – 4 – 4), кремнистые (БрК3), кремний-марганцевые (БрКМц3 – 1), бериллиевые (БрБ2), бериллиево- никель-титановые 19), хромовые (БрХ05), хромосеребряные (БрХAg05 – 05), циркониевые (БрЦр07) и т.д. Эти бронзы имеют большую твердость и упругость, особенно бериллиевые. Алюминиевые бронзы применяются для изготовления втулок, флянцев, шестерен. Бериллиевая бронза закаливается с 800°С и подвергается старению при 300 – 350°С. Получается твердость 350 – 400 НВ. Она используется для изготовления пружин, мембран, пружинящих контактов и т.д. Отличным антифрикционным материалом является свинцовистая бронза (БрС30). Из латуней, как конструкционных сплавов, изготавливают трубки, силь- фоны, гибкие гофрированные шланги, мелкий сортовой прокат, лист и т.д. Из оловянистых бронз изготавливают антифрикционные изделия, подпят- ники, подшипники скольжения, втулки, пояски поршневых колец. Высоко- прочные алюминиевые бронзы идут на изготовление шестерен, втулок, пружин, подшипников. Из бериллиевой бронзы изготавливают упругие элементы манометров, приборов, пружины, мембраны. Хромистые и циркониевые бронзы используются в двигателестроении. |