Материаловедение. Материаловедение и защита металлов от коррозии
 Скачать 0.65 Mb.
|
|
Вопрос 19. Превращение в сталях при охлаждении. Если сталь разогреть до аустенитного состояния и медленно охлаждать в области температуры 727-500°С, то произойдет перлитное превращение аустенита в тонкую механическую смесь феррита и цементита. Но если температура охлаждения будет меньше 20°С и большая скорость охлаждения диффузной подвижности углерода будет значительно меньше, а скорость физического перехода γFe →αFe будет расти. Поэтому углерод не будет успевать выходить из объема кристаллической решетки αFe. Образуется пересыщенный по углероду твердый раствор. Избыток углерода вызывает сильное внутреннее напряжение и искажает кристаллическую решётку. а=1,069(%С)*а0 – параметр искажения. Решетка из ОЦР феррита превращается в тетрагональную, то есть вытянутый параллелепипед. Такой сплав получил название мартенсит. Мартенситное превращение происходит по бездиффузному механизму, то есть углерод неподвижен - механизм скалывания. Эти растущие чешуйки за счёт параметров решетки с большим запасом внутренней энергии скалывается с поверхности кристаллита. Т.е. при мартенситном превращение происходит еще большие изменения структуры по сравнению с перлитным превращением. Данное превращение лежит в основе закаливания стали, в результате чего поверхность приобретает высокую твердость и износостойкость. Чем выше содержание углерода, тем ниже область температур. В промежуточной области идёт бейнитное превращение одновременно по двум механизмам. Вопрос 20. Теория и технология термической обработки стали. Отжиг. Назначение и условие проведения. Технологическая обработка стали – это процесс, который включает в себя 3 стадии: нагрев, выдержка и охлаждение. При термической обработке происходит изменение химического состава. Отжиг, снижая твердость и повышая пластичность и вязкость за счет получения равновесной мелкозернистой структуры, позволяет: улучшить обрабатываемость заготовок давлением и резанием; исправить структуру сварных швов, перегретой при обработке давлением и литье стали; подготовить структуру к последующей термической обработке. Диффузный отжиг. Проводят для высоколегированных сплавов. Это хромоникелевые стали с ферритной структурой. Отжиг заключается в нагреве до 1050-1100°С (деталь загружают в печь и нагревание идет от комнатной температуры. Время выдержки от 10 до 60 часов). При таких температурах все легированные компоненты приобретают диффузную подвижность. Их назначение выравнивание химического состава по всему зерну, для получения упорядоченного твердого раствора. Получим максимально равномерную структуру, которая идёт на охлаждение вместе с печью. Скорость охлаждения 30-100°С/ч выгрузка при t <200°С. Полный отжиг. Используется для низколегированных и углеродистых сталей, которые претерпевают фазовые превращения. Деталь с печью нагревают до 950-1050°С. Выдерживание при данной температуре необходимо для расплавления, разложения карбидной фазы. Получается однородный по химическому составу аустенит, в котором распределён углерод и легированные компоненты. Далее идет медленное охлаждение и выпуск детали при t <200°С. После проводят закалку с последующим отпуском. Нормализация. Данная операция является предварительной перед механической обработкой для деталей, изготовленных методом литья. Деталь погружают в разогретую печь и выдерживают в течение 1-3ч при температуре 50-100°С. Для доэвтектоидных сталей назначение - уменьшение дефектности. Для эвтектоидных и заэвтектоидных сталей для снятия внутренних напряжений. Отжиг рекристаллизации. Проводят после операции механической обработки (резание, шлифование). Для устранение поверхностных дефектов. Маятниковый отжиг (термоциклическая обработка). Заключается в многократном нагреве и охлаждении деталей в печи с температуры на 100-150°С выше фазового перехода до температуры ниже на 100-150°С. Уменьшение дефектности. Вопрос 21. Закалка. Влияние состава стали на глубину прокаливания. Способы закалки. Хладагенты. Под закаливаемостью понимают способность стали к повышению твердости. Под прокаливанием понимают способность стали закаливаться на определенную глубину. Глубина закаленной зоны является критерием прокаливаем ости. Обычно детали имеют более высокую твердость на поверхности и меньшую в сердцевине. Это объясняется теплопроводностью стали. Однако большинство деталей должны прокаливаться насквозь. Для обеспечения сквозной прокалки и контроля на ней был введен термин – критический диаметр. Под которым понимают максимальную размерность сечения детали, которая прокаливается насквозь. Для этого, чтобы закалить деталь насквозь в данном охладителе, необходимо чтобы критический диаметр Dкр больше диаметра сечения детали. В зависимости от состава стали, формы и детали выбирают способ закалки. К основным способам закалки относятся: закалка в одном охладителе, прерывистая закалка, изотермическая закалка и различные сочетания этих способов. Закалка в одном охладителе - это наиболее распространенный способ закалки, заключается в нагреве стали выше температур, соответствующих критической точке с последующей выдержкой и охлаждением со скоростью выше критической в одном охладителе. В качестве охлаждающей среды для углеродистых и низколегированных сталей служит вода, легированных - масло. Некоторые высоколегированные стали закаливают на спокойном воздухе. Немаловажное значение имеет и площадь сечения детали; так углеродистые и низколегированные стали с сечением 5 мм закаливают в воде. Детали переменного сечения или сечения менее 5 мм можно закаливать и в масле, поскольку охлаждающей способности масла достаточно, для того чтобы прокалить детали тонкого сечения насквозь. Недостаток: возникновение больших внутренних напряжений, и образование трещин. Закалка в двух средах - этот способ заключается в том, что нагретую до необходимой температуры деталь, выдержанную при этой температуре, переносят в охладитель, обеспечивающий такую скорость охлаждения, которая предотвратила бы распад переохлажденного аустенита в области температур минимальной устойчивости аустенита, например, в воду, а затем переносят в менее интенсивно охлаждающую среду, в которой собственно и происходит закалка. Такой способ закалки позволяет снизить уровень закалочных напряжений и предотвратить появление таких закалочных дефектов как, корабление. Струйчатая закалка- этот способ применяется в том случае, когда нет необходимости закаливать деталь на одинаковую твердость по всей поверхности. Для таких типов деталей, как зубило важно получить высокую твердость рубящей кромки при сохранении вязкого хвостовика; в этом случае инструмент, нагретый до заданной температуры, охлаждают с рабочей поверхности струями воды, тем самым разрушается "паровая рубашка" и рабочая поверхность инструмента интенсивно охлаждается. Закалка самоотпуском- этот способ практически несет то же функциональное назначение, что и струйчатая закалка, например, зубило, нагревают до заданной температуры и переносят в охлаждающую среду только рабочую часть, затем после извлечения из закалочной среды проводят выдержку на свободном воздухе в результате которой рабочая часть отпускается за счет нагрева от нерабочей, неохлажденной части. Ступенчатая закалка- этот способ является разновидностью способа закалки в двух средах. Однако является более эффективной с точки зрения обработки детали деталь переменного сечения. При охлаждении до температуры несколько выше точки начала мартенситного превращения необходимо выровнять температуру по всем сечениям, для этого делают выдержку в первом охладителе до выравнивания температуры, а затем переносят деталь во вторую охлажденную среду, в которой и происходит закалка. Изотермическая закалка- в отличие от ступенчатой при изотермической закалке деталь помещают в охлаждающую среду с температурой несколько выше температуры начала мартенситного превращения и выдерживают в этой среде до полного завершения превращения. В результате изотермической закалки образуется структура - бейнит, которая по сравнению с мартенситом имеет несколько более низкую твердость и повышенную вязкость. Обработка стали холодом. В закаленной стали особенно с содержанием углерода более 0,4-0,5% всегда присутствует остаточный аустенит, который понижает твердость, износостойкость. Для уменьшения количества остаточного аустенита в закаленной стали используют обработку холодом, заключающуюся в охлаждении закаленной стали до температур ниже 0. Понижение температур до -30 - -70град. для большинства сталей вызывает превращение остаточного аустенита в мартенсит, что повышает твердость. Но т.к. одновременно возрастают напряжения, то изделия охлаждают медленно и сразу после обработки холодом выполняют отпуск. Обработку холодом используют для измерительных инструментов, пружин и деталей из цементируемых высоколегированных сталей, сохраняющих много аустенита после закалки. Вопрос 22. Отпуск. Назначение и условие проведения Закаленная сталь находится в напряженном состоянии и поэтому она обладает значительной хрупкостью. Для улучшения свойств стали и увеличения долговечности ее службы необходимо снять внутренние напряжения или хотя бы уменьшить их. Для этого инструменты и изделия из стали после закалки почти всегда подвергаются повторному нагреву до температур, лежащих ниже критической температуры, и после некоторой выдержки при температуре нагрева медленно или быстро охлаждаются. Этот вид термической обработки стали называется отпуском. Даже в тех случаях, когда изделие должно иметь максимальную твердость, оно подвергается после закалки отпуску для снятия внутренних напряжений. С помощью отпуска можно достигнуть также распада мартенсита и повышения благодаря этому пластичности и вязкости стали при сохранении достаточно высокой прочности Различают: Низкотемпературный. Процедура проводится с учетом нагрева в печи до 150-250 ºC. Далее проводится продолжительная выдержка, учитывая значение температуры, завершающей стадией является охлаждение заготовки на открытом воздухе. По завершении операции, металл сохраняет твердость, но в отдельных случаях, показатель увеличивается. Достигается результат благодаря распаду остаточного аустенита. Параллельно с сохранением твердости, локализуется хрупкость закалки. Данный вид операции используется при изготовлении различных изделий, режущего инструмента, при условии, что обеспечивается высокая твердость конструкции. Благодаря трансформации мартенсита, обеспечивается стабилизация габаритов заготовки. Это актуально при условии соблюдения параметров измерительного инструмента, в процессе изготовления которого используется инструментальная сталь. При изготовлении инструмента проводится именно данный вид операции. Среднетемпературный. Предусматривается соблюдение температуры 300-500 ºC. Твердость на последней стадии стремительно понижается, но увеличивается значение вязкости. Можно получить троостит отпуска, твердость металла повышается до значения 43 HRC. Применяется в процессе изготовления пружин, рессор, специального технологического инструмента, для которого характерна высокая прочность, упругость. При этом – твердость устанавливается на среднем уровне, это позволит осуществлять обработку заготовки, придание ей нужных характеристик. Высокотемпературный. Выполняется с учетом температурного режима в 500-600ºC. Главное назначение заключается в получении максимальной вязкости при оптимальном сочетании прочности, упругости структуры стали. На практике, это применяется в процессе изготовления деталей, выполненных из конструкционных марок. В процессе выполнения работы они подвергаются воздействию высокого напряжения. Это актуально при воздействии на структуру металла ударных нагрузок при отливке. Вопрос 23. Теория технология химико-термической обработки стали. Цементация, азотирование, цианирование. Назначение операций и способы обработки. Цементация. Процесс насыщение поверхностного слоя углеродом с целью повышения прочности, твердости и износостойкости поверхностного слоя, содержание углерода в котором повышается от 0,25% до 0,8-0,9%. При этом глубинные зоны с содержанием углерода 0,25% сохраняют высокую ударную вязкость. Такой обработке подвергаются звёздочки валы. Технологический процесс реализуется по двум схемам: 1. с твёрдым карбюризатором (древесный уголь, Na2CO3, BaCO3, CaCO3+10% крахмала) деталь погружается в стальной герметичный ящик, засыпают порошком и загружают в печь с t =920-950 ºC. Время выдержки 15-40 часов. При такой температуре углерод диффундирует в поверхностный слой стальной детали. 2. В газовой атмосфере метана (пропан-бутан) с t =920-950ºC. На поверхности детали метан разлагается с выделением углерода. После процесса насыщения поверхности углеродом деталь проходит закалку и низкотемпературный отпуск за счёт которого достигается максимальная прочность и износостойкость поверхности. Азотирование. Процесс насыщения поверхностного слоя азотом, который при высокой температуре образует нитриды с основным легирующим компонентом, пленка которого придает поверхности высокую твердость и износостойкость, а также высокую коррозионностойкость. Легированные стали подвергаются прочностному азотированию (Fe2N, Fe4N - очень хрупкие, поэтому углеродистые стали прочностному азотированию не подвергаются). t =550-560 ºC, время 20-60 часов. В закрытую печь из баллона подаётся NH3, который при высокой температуре каталитически разлагается на поверхности детали с высвобождением N2, который диффундирует в поверхностный слой металла. Содержание углерода в сталях 0,4%. Перед азотированием детали покрывают оловом. Процесс азотирования является финишным, то есть перед ним деталь проходит закалку и отпуск. Углеродистые сталь подвергают декоративному азотированию с целью повышения коррозионной стойкости. Цианирование. Проводят в расплаве Солей NaCN 25-50%. 650-800ºC. Деталь погружают в расплав солей и выдерживают 3-5 часов. Цианированный слой обладает высокой твердостью 58…62HRC и хорошо сопротивляется износу. Повышаются усталостная прочность и коррозионная стойкость. Основной недостаток — это опасность цианистого натрия. Вопрос 24. Теория технология химико-термической обработки стали методом диффузной металлизации (алитирование, хромирование, силицирование). Назначение и способы обработки. Хромирование. За счёт повышения содержания Cr в поверхностном слое обеспечивается твёрдость, износостойкость, окалиностойкость, жаропрочность. Процесс проводят при 950-1050 ºC. Деталь помещают в герметичный стальной ящик и засыпаю смесью порошков FeCr, Cr. В ящик подается HCl. Адсорбирующиеся на поверхности FeCr и Cr ионы хлора способны ионизировать хром, который приобретают большую подвижность и диффундируется в кристаллическую аустенита. Алитирование. Насыщение поверхности алюминием. Алюминий незначительно внедряется в кристаллическую решетку аустенита, но на поверхности деталей формируются очень тонкая пленка 0,1-0,15 мм Al2O3, которая очень прочно сцеплена с поверхностью металла. Цель данного процесса повышения окалиностойкости и жаропрочности. Такие покрытия наносятся на форму для разлива металла и стали, трубы реактивных двигателей. Процесс проходит в герметичном контейнере, в котором деталь присыпается порошком 49% Al+49%Al2O3+2%NH4Cl. Силицирование. Насыщение поверхности кремнием, который повышает твердость и износостойкость. На поверхности образуется тонкая пленка SiO2 с температурой размягчения 1700 ºC, поэтому даже самая низколегированная сталь покрытая такой пленка обладает высокой твердостью окалиностойкостью. Процесс проводят в газовой фазе SiCl4, который каталитически разлагается на поверхности детали при 920-950ºC и образующиеся атомы кремния диффундируют в кристаллическую решётку, насыщая поверхностный слой стали. Вопрос 25. Углеродистые стали. Классификация углеродистых сталей. 1. По химическому составу: 1.1. По содержание углерода: А. до 0,25% - низкоуглеродистые; Б. 0,25 - 0,6% - среднеуглеродистые; В. более 0,6 % - углеродистые. 1.2 по содержанию вредных примесей (по качеству): Основными вредными примесями являются: сера, так как с железом образует устойчивые электроплавкие соединения FeS с tпл= 988°С, которое кристаллизуется при охлаждении последнем на поверхности кристаллитов феррита и цементита. При термической обработке tнагр=1000-1050°С FeS плавится, что может вызвать разрушение деталей (явление красноломкости.). Вторым по вредности компонентом является фосфор. Он входит в состав твердого раствора феррита и значительно искажает его кристаллическую решётку. Поэтому стали с высоким содержанием фосфора очень быстро разрушаются при действии механических нагрузок в области низких температур (явление хладоломкости). Вредные примеси должны быть удалены в процессе выплавки стали в виде шлаков. Третий вредный компонент – кислород, он образует FeO. Является хрупким химическим соединением, ухудшающий механические свойства. Поэтому в конце варки стали раскисляют. 1.3 По степени раскисления стали делят на: Спокойные - Спокойные стали раскисляют Mn, Si, Al. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Полуспокойные – раскисляют Mn, Si Кипящие –раскисляют только Mn. Перед разливкой в них содержится большое количество кислорода, который при затвердевании, частично взаимодействуя с углеродом, удаляется в виде СО и создает впечатление кипящей стали. Эти стали дешевы, их производят низкоуглеродистыми и почти без Si. 2, По способу производства: 2.1 Мартеновские (домны). Непрерывный процесс в домных печах, где идёт производство стали из руд. Основной компонент: FeO, Fe2O3, FeS, из которых при высокой температуре железо восстанавливается, сплав восстанавливается топочными газами СО, получаемый при неполном сгорании кокса или природного газа. В конце выплавки удаляются вредные примеси за счёт шлаков и раскисляют. 2.2 Конверторные. Производство качественных сталей, где стали варятся из чугуна, который расплавляется в электропечах, в которые подается кислород, который равномерно перемешивает расплав и окисляет все вредные примеси до CO2. Процесс проводят до определенного содержания углерода, после чего продувка прекращается и идёт процесс раскисления. 2.3 Электростали. Процесс варки происходит под воздействием тока высокой частоты в электропечах. Варится из сортового металлолома. Происходит электрошлаковый переплав, а разливка происходит из вакуумных ковшов. 3. По структуре: 3.1 в отожжённом состоянии ферриты и перлиты 3.2 нормализованное состояние: доэвтектоидные и мартенситные, способные воспринимать закалку. |