Стали. Термическая и химико-термическая обработка

 

Сталью называют сплав железа с углеродом (до 2 % С).

По сравнению с другими материалами стали имеют высокую прочность, пластичность, хорошо обрабатываются термически, химико-термически и механически.

По химическому составу сталь разделяют на углеродистую и легированную, а по качеству – на сталь обыкновенного качества, качественную, повышенного качества и высококачественную.

Углеродистая сталь наиболее распространена, её производство составляет 80% от общего объема выплавки.

Углеродистые стали обыкновенного качества получили наиболее широкое распространение в технике благодаря относительной дешевизне. Из таких сталей изготовляют неответственные строительные конструкции; детали металлоконструкций – рамы, оси, валики, валы, звёздочки, зубчатые колёса и т.п.

Обозначаются эти стали двумя буквами Ст и цифрами 0, 1, 2, 3 и т.д. до 6 (например Ст 0, Ст 1 и т.п.). Чем больше число, тем больше содержание углерода в стали и выше прочность.

Качественные углеродистые стали обозначают двумя цифрами: 05; 08; 10; 15; 20 и т.д. до 60, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (например сталь 45 содержит 0,45% С).

Эти стали используются для изготовления самых разнообразных деталей машин: коленчатых валов, зубчатых колёс, фрикционных дисков, пружин, рессор и др.

Легированная сталь в отличие от углеродистой содержит легирующие элементы, которые вводят в химический состав стали при выплавке для улучшения её технических свойств (механических, коррозионных, тепловых и др.).

Легированные стали обозначают цифрами и буквами (например 40Х, 18ХГТ, 35ХМ и т.п.). Цифры показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, а буквы обозначают легирующий элемент: Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Н – никель, М – молибден, Т – титан, Х – хром, Ю – алюминий и т.д.

Цифры после букв указывают примерное содержание соответствующего легирующего элемента в целых единицах процента; при содержании легирующего элемента до 1,5% цифра не ставится. Например, сталь 35ХМ содержит в среднем 0,35% С; до 1,5% Cr и Мо.

Основную часть легированных сталей выплавляют качественными с содержанием вредных примесей фосфора и кремния до 0,035%.

Производятся также высококачественные стали с содержанием фосфора и кремния до 0,025%. Их обозначают буквой А, записываемой в конце обозначения марки стали (например 12ХНЗА).

Легированные стали дороже углеродистых. Они имеют высокую прочность и являются основным материалом для изготовления ответственных деталей машин (зубчатых колёс, валов и т.п.).

Для придания стали определенных свойств (высокой прочности, пластичности и т.д.) выполняют термическую обработку заготовок или готовых изделий, которая состоит из трёх последовательных стадий:

• нагрева до требуемой температуры с определенной скоростью;

• выдержки при этой температуре в течение требуемого времени;

• охлаждения с заданной скоростью.

Основные виды термической обработки: отжиг, нормализация, улучшение, объемная закалка, поверхностная закалка токами высокой частоты (закалка ТВЧ) и отпуск.

При химико-термической обработке стальных деталей изменяется химический состав их поверхностных слоёв, что позволяет получить после термообработки высокую твердость, прочность и износостойкость деталей.

Существует ряд способов такой обработки: цементация – насыщение поверхностных слоёв стали углеродом; азотирование – насыщение азотом; цианирование – одновременное насыщение углеродом и азотом и др. Глубина насыщения невелика, обычно 0,2…1мм.

 

Чугуны

 

Чугуном называют сплав железа с углеродом (более 2% С).

Чугун обладает высокими литейными свойствами, определившими область его применения в качестве конструкционного материала; хорошо обрабатывается резанием, образуя высококачественную поверхность для узлов трения и неподвижных соединений.

По структуре различают белый и серый чугун; по химическому составу – чугуны нелегированные и легированные, содержащие хром, никель, марганец, и другие легирующие элементы.

В изделиях общемашиностроительного применения наиболее широко используют серый чугун, обозначаемый буквами СЧ и двухзначными числами – пределами прочности при растяжении и изгибе, деленными на 10, в Н/мм² (например СЧ15-32, СЧ18-36).

Его используют для изготовления литых изделий относительно сложной конфигурации при отсутствии жестких требований к габаритам и массе (зубчатые колёса, детали корпусов, шкивы ременных передач и др.).

 

 

Цветные сплавы

 

Сплавы цветных металлов довольно широко применяются в машиностроении.

В качестве составных частей сплавов используют цветные металлы – медь, цинк, свинец, олово, алюминий и некоторые другие. Эти металлы значительно дороже черных и используются для выполнения особых требований: легкости, антифрикционности, антикоррозионности и др.

Различают медные, алюминиевые, магниевые и титановые сплавы.

Наибольшее распространение нашли медные сплавы – бронзы, латуни и баббиты.

 

Бронзы

 

Бронзы – это сплавы на основе меди, в которых главными добавками являются олово, алюминий, свинец, железо и ряд других химических элементов. По основному, кроме меди, компоненту бронзы подразделяют на оловянные, свинцовые, алюминиевые, бериллиевые, кремнистые и др.

Для бронз характерны высокие антифрикционные свойства, коррозионная стойкость, универсальная технологичность. Все бронзы хорошо обрабатываются резанием. Указанные свойства позволяют применять их в узлах трения – подшипниках скольжения, направляющих, водяной, паровой и масляной арматуре и особенно в червячных передачах и передачах винт-гайка.

Бронзы обозначают буквами Бр и условными обозначениями основных компонентов, кроме меди (А – алюминий, Ж – железо, Мц – марганец, Н – никель, О – олово, С – свинец, Ц – цинк, Ф - фосфор), и цифрами, указывающими среднее содержание соответствующих компонентов в целых единицах процентов.

Оловянные бронзы (содержание олова обычно 4…12 %) являются универсальными, хорошо работающими в любых условиях. Свинец в составе таких бронз повышает сопротивление коррозии и позволяет уменьшить содержание олова, а цинк и фосфор в основном улучшают технологические свойства. Ввиду высокой стоимости применение высокооловянных (10…12% Sn) бронз ограничено.

Алюминиевые бронзы с добавлением железа (а также иногда марганца и никеля) применяют преимущественно как антифрикционный материал при высоких давлениях, но относительно малых скоростях скольжения. Необходимо, чтобы поверхность, сопряженная с бронзой, была закалена до значительной твердости, имела достаточную точность и высокое качество обработки.

 

Латуни

 

Латуни – медные сплавы, в которых преобладающим легирующим компонентом является цинк (до 50% Zn).

Латуни характеризуются хорошим сопротивлением коррозии, электропроводностью, достаточной прочностью и особо хорошими технологическими свойствами.

Их применяют для изготовления труб, арматуры, гильз патронов, электромашиностроительных компонентов и т.д.

Сложные латуни (содержащие кроме меди и цинка свинец, кремний, марганец, алюминий, железо, никель, олово) применяют также для изготовления зубчатых венцов червячных колес. Но из-за пониженных антизадирных свойств латуни ее использование возможно лишь для передач, работающих при сравнительно невысоких скоростях скольжения (  м/с).

 

Баббиты

 

Баббиты – сплавы меди с мягкими металлами (оловом, свинцом, цинком,), представляющие собой высококачественные, хорошо прирабатывающиеся антифрикционные подшипниковые материалы низкой твердости, допускающие работу со значительными скоростями и давлениями.

Баббиты являются одним из лучших материалов для заливки вкладышей подшипников скольжения.

Высокооловянные баббиты (свыше 70% Sn) применяют в подшипниках весьма мощных и ответственных машин, например, в авиационных двигателях, прокатных станах и т.п. остальные баббиты применяют в подшипниках ответственных машин среднего и тяжелого машиностроения.

Область применения баббитов ограничивает их очень высокая стоимость (в 20 и более раз превышающая стоимость качественной стали) при сравнительно невысоких механических характеристиках.

 

Неметаллические материалы

 

К неметаллическим материалам относятся дерево, резина, кожа, асбест, пластмассы, металлокерамические материалы.

Из перечисленных материалов наиболее широкое распространение нашли пластмассы, а также металлокерамические материалы. В условиях современного массового производства развитию порошковой металлургии, методом которой получают металлокерамику, уделяется все большее внимание.

Остальные неметаллические материалы используют для многочисленных деталей невысокой напряженности, например, из резины изготовляются амортизаторы, упругие элементы муфт, ремни, уплотнения, электроизоляционные детали и т.п.; кожа, благодаря высокой прочности и эластичности, применяется для изготовления ремней, амортизационных деталей муфт, прокладок и т.п.

 

Пластмассы

 

Пластические массы представляют собой материалы на основе высокомолекулярных органических соединений, обладающие в определенной фазе своего производства пластичностью, позволяющей формовать изделия.

Современное развитие химии высокомолекулярных соединений позволяет получать материалы, которые обладают ценными свойствами: легкостью, прочностью, тепло- и электроизоляцией, стойкостью против действия агрессивных сред, фрикционностью или антифрикционностью.

Пластмассы обладают хорошими литейными свойствами и легко обрабатываются пластическим деформированием при сравнительно невысоких температурах и давлениях, что позволяет получать из них изделия сложной формы высокопроизводительными методами (литьем под давлением, штамповкой, вытяжкой).

Важным преимуществом пластмасс является сочетание легкости и достаточно высокой прочности.

Основные потребители пластмасс – электротехническая и химическая промышленность. Здесь из пластмасс изготавливают корпуса, панели, баки, трубы и другие детали, подвергающиеся действию кислот, щелочей и т.п. В других отраслях машиностроенияпластмассы применяют для производства корпусных деталей, шкивов, вкладышей подшипников, фрикционных накладок, втулок и т.п.

Для зубчатых колес могут быть применены: текстолит – слоистая пластмасса с наполнителем из хлопчатобумажной ткани, обладающий повышенной прочностью и износостойкостью, а также некоторые полиамиды. Однако область применения таких колес ограничивается малонагруженными и кинематическими передачами, используемыми, например, в приборостроении.