Химико-термическая обработка сталей.

Под химико-термической обработкой понимают обработку металлов при высоких температурах в химически активной среде – твердой, газовой или жидкой. При этом изменяется химический состав, структура и свойства поверхностного слоя: твердость, износостойкость, усталостная прочность, эрозионная стойкость, красностойкость и другие. Это происходит за счет диффузионного насыщения поверхностных слоев металла различными химическими элементами. Виды химико-термической обработки классифицируют по элементам, которыми насыщают поверхностный слой. Распространенными видами химико-термической обработки являются цементация, азотирование, цианизация и диффузионная металлизация.

1. Цементация – процесс насыщения стальных изделий углеродом. Цементации подвергают стали с содержанием углерода до 0,2%. Цементация может происходить в газовой и твердой среде. Концентрация углерода в поверхностных слоях глубиной 0,5...2,5 мм достигает 0,8% (рис. 3.6). Цементированные изделия подвергают закаливанию, в результате чего в поверхностных слоях образуется мартенсит, а малоуглеродистая сердцевина состоит из вязкой феррито-перлитной смеси. Поэтому изделия, прошедшие цементацию, обладают высокой стойкостью против износа и хорошим сопротивлением ударным нагрузкам.

Рис. 3.6. Схема микроструктуры поверхностного слоя цементованной стали

П – перлит; Ф – феррит

 

 

2. Азотирование – это насыщение поверхностных слоев стали азотом. Азотированию обычно подвергают изделия из легированных сталей. Азотируют в атмосфере аммиака при температуре 500...650ºС. Азот диффузирует в сталь, образуя из ее компонентов другие твердые сплавы – нитриды (AlN, VN, Mo₂N). Азотированная поверхность тверже, чем цементированная, и, кроме того, имеет повышенную коррозионную стойкость. Глубина поверхности достигает 0,8 мм. Азотированию подвергаются готовые изделия.

3. Цианирование – процесс одновременного насыщения поверхностных слоев стали углеродом и азотом. При применении газовой среды этот процесс называют нитроцементацией. Продолжительность процесса газовой нитроцементации – 3...12 часов. Глубина, на которую проникают углерод и азот, приблизительно 0,5...1,5 мм. Низкотемпературное цианирование (530...550ºС) применяют после остаточной термической обработки изделия – закалки и высокого отпуска. После среднетемпературного (820...850ºС) и высокотемпературного (800...950ºС) цианирования изделия подвергают закалке и низкому отпуску при температуре 160...200ºС. Основное назначение этих процессов – повышение твердости, износостойкости, предела выносливости, а иногда коррозионной стойкости материалов.

4. Диффузионная металлизация – процесс насыщения поверхностного слоя стали:

– хромом (хромирование) – для повышения окалиностойкости (особенно при нагревании до 800…900ºС), сопротивления коррозионным воздействиям в водных растворах некоторых кислот и в морской воде;

– алюминием (алитирование) – для повышения жаростойкости. Алитирование не следует отождествлять с алюминированием. Алюминирование – нанесение на поверхность металлических изделий покрытий из алюминия или его сплавов. Алитирование можно рассматривать как разновидность алюминирования;

– другими металлами.

Эта металлизация может происходить в твердой и газовой среде (сплав элементов с хлором). При температуре 800...1200ºС металлы диффузируют в поверхностные слои обработанной стали. Процесс продолжается 5...15 часов. В некоторых случаях после металлизации детали подвергают термической обработке.

Также применяют:

– силицирование (насыщение кремнием) – для повышения износоустойчивости, улучшения коррозионной стойкости и кислотоупорности изделий;

– борирование (насыщение бором) – с целью повышения поверхностной твердости и износостойкости изделий, реже – их коррозионной стойкости и теплостойкости.

Тема 4. УГЛЕРОДИСТЫЕ И ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ. КЛАССИФИКАЦИЯ, СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ

Классификация сталей.

Сталями принято называть сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14% углерода. Кроме того, в состав сплава обычно входят постоянные полезные добавки: марганец, кремний и вредные примеси: сера, фосфор, а также мышьяк, содержание которых должно быть строго ограничено. Обычно содержание этих элементов ограничивается такими верхними пределами: Mn до 0,8%; Si до 0,5%, S до 0,05%; P до 0,06%. Некоторые элементы могут быть введены специально для улучшения физико-химических и механических свойств, такие элементы называются легирующими.

Стали классифицируют по самым различным признакам.

1. По структуре:

1.1. Доэвтектоидные, которые при обычной температуре состоят из феррита и перлита, и содержание углерода в них менее 0,8%.

1.2. Эвтектоидные, структура которых состоит из чистого перлита (углерода С = 0,8%).

1.3. Заэвтектоидные, состоящие из перлита и цементита (углерода
0,8% < С ≤ 2,14%).

2. По способу производства:

2.1. Мартеновская.

2.2. Конвертерная:

– бессемеровская [футеровка конвертера выполнена из кислых материалов (динасовый кирпич или кварцит)];

– томасовская (футеровка конвертера выполнена из осн о вных материалов (обожженный доломит));

– кислородно-конвертерная.

2.3. Выплавляемая в электрических печах.

По химическому составу.

В зависимости от химического состава различают стали:

3.1. Углеродистые (ГОСТ 380-71; ГОСТ 380-94, ГОСТ 1050-88).

В зависимости от содержания углерода стали углеродистые могут быть:

3.1.1 малоуглеродистыми (до 0,25% С);

3.1.2 среднеуглеродистыми (0,25…0,6% С);

3.1.3 высокоуглеродистыми (более 0,60% С).

3.2. Легированные (ГОСТ 4543-71, ГОСТ 5632-72, ГОСТ 14959-79).

В зависимости от содержания легирующих элементов легированные стали подразделяются на:

3.2.1 низколегированные, в которых суммарное содержание легирующих элементов не превышает 2,5%;

3.2.2 среднелегированные, в состав которых входят от 2,5 до 10% легирующих элементов;

3.2.3 высоколегированные – более 10% легирующих элементов.

По качеству.

В зависимости от содержания вредных примесей (серы и фосфора) стали подразделяют на:

4.1. Стали обыкновенного качества, содержание серы – S < 0,055%, фосфора – Р < 0,045%.

4.2. Качественные – S < 0,04%, Р < 0,035%.

4.3. Высококачественные – S < 0,025% и Р < 0,025%;

4.4. Особо высококачественные – S < 0,015% и Р < 0,025%.

По степени раскисления.

По степени удаления кислорода из стали, т.е. по степени ее раскисления, существуют:

5.1. Спокойные стали, т.е., полностью раскисленные марганцем, кремнием и алюминием. Такие стали обозначаются буквами “сп” в конце марки (иногда буквы опускаются).

5.2. Кипящие стали – раскисленные не полностью и только марганцем. Маркируются буквами "кп".

5.3. Полуспокойные стали, занимающие промежуточное положение между двумя предыдущими, раскисленные марганцем и кремнием. Маркируются буквами "пс".

6. По назначению:

6.1. Конструкционные стали, которые предназначены для изготовления строительных конструкций и деталей машин. Конструкционные стали должны иметь высокую прочность, вязкость, а также высокую пластичность. Чаще всего эти требования должны обеспечиваться комплексно. К применяемым в промышленном производстве и строительстве сталям предъявляются такие требования к их технологическим свойствам: способность поддаваться обработке давлением, резанием и хорошо свариваться.

Конструкционные стали делятся на:

1. Стали для строительных конструкций.

2. Стали цементуемые.

3. Стали улучшаемые (смешанная технологичная операция закалки и высокого отпуска).

4. Высокопрочные (граница прочности более 1500 МПа).

5. Рессорные и пружинные стали.

6. Подшипниковые.

7. Износостойкие.

6.2. Инструментальные стали, которые используются для изготовления режущего, мерительного, штамповочного и прочего инструмента. Эти стали содержат более 0,65% углерода. Основные требования – это большая твердость и стойкость от изнашивания.

6.3. Стали со специальными (особыми) физико-химическими свойствами:

а) с особыми физическими свойствами, например, с определенными магнитными характеристиками или малым коэффициентом линейного расширения: электротехническая сталь, суперинвар, магнитная;

б) с особыми химическими свойствами, например, нержавеющие, жаростойкие или жаропрочные стали.

Конструкционные стали.