Металлическая основа чугунов. Графитизирующий отжиг.

Основные компоненты чугуна — железо, углерод и кремний. Кроме того, обычные чугуны содержат марганец, фосфор и другие элементы. Несмотря на сложность химического состава чугуна, важнейшие структурные изменения при его отжиге качественно можно проанализировать с использованием диаграммы состояния двойной системы Fe — С. Графитизирующему отжигу подвергают белые, серые и высокопрочные (модифицированные) чугуны.

Отжиг белого чугуна на ковкий. Белый чугун тверд и очень хрупок из-за большого количества эвтектического цементита в его структуре. Современный способ получения ковкого чугуна графитизирующим отжигом белого был изобретен в начале XIX в.
В настоящее время ковкий чугун — это широко применяемый машиностроительный материал, сочетающий простоту и дешевизну получения отливки фасонных деталей с высокими механическими свойствами.
Для производства ковкого чугуна используют отливки из доэвтектического белого чугуна, содержащего 2,2 — 3,1 % С; 0,7 — 1,5% Si; 0,3 — 1,0% Mn и до 0,08% Cr. Содержание в шихте кремния, облегчающего графитизацию, и марганца с хромом, затрудняющих ее, регулируют таким образом, чтобы подавить кристаллизацию графита из расплава и обеспечить возможно более быстрое прохождение графитизации при отжиге.
Напомним, что при кристаллизации серого чугуна графит растет из расплава в неблагоприятной для механических свойств форме разветвленных крабовидных розеток, сечения которых на шлифе имеют вид изогнутых пластин.

Закалка стали.

Также 15,16,17.

Основными видами термической обработки, различно изменяющими структуру и свойства стали и назначаемыми в зависимости от требований, предъявляемых к полуфабрикатам (отливки, поковки, прокат и т.д.) и готовыми изделиями, являются: отжиг, нормализация, закалка, отпуск. Под отжигом понимают, нагрев стали до заданной температуры (выше температур фазовых превращений), выдержке при ней с последующим медленным охлаждением. В результате медленного охлаждения сталь приближается к фазовому и структурному равновесию.. Обычно, после отжига сталь обладает низкой твёрдостью и прочностью. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье или прокатке, ковке или штамповке. Применяется для измельчения структуры низко- и среднеуглеродистой стали и повышения её механических свойств, для подготовки структуры к последующей термической обработке. Нормализацию широко применяют для улучшения свойств стальных отливок вместо закалки и отпуска. Закалка. Под закалкой понимают нагрев, для доэвтектоидной стали выше точки А_С3 + (30…50 °С), для заэвтектоидной - А_С1 + (30…50 °С), выдержку при заданной температуре для завершения фазовых превращений с последующим быстрым охлаждением со скоростью выше критической. Для углеродистых сталей это охлаждение проводят чаще в воде, для легированных в масле или других средах. В результате закалки получаются неравновесные структуры, так как быстрое охлаждение препятствует фазовым превращениям. Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки подвергают отпуску. Закалка применяется: для получения требуемых свойств (механических, физических) после соответствующего отпуска; в качестве подготовки для последующей термической обработки; для обеспечения однородности структуры и улучшения коррозионной стойкости нержавеющих сталей. Отпуск. Под отпуском понимают нагрев и выдержку закалённой стали ниже критической точки А_С1 с целью превращения неустойчивой структуры в более устойчивую, что сопровождается соответствующим изменением свойств стали и уменьшением остаточных напряжений. Охлаждение после отпуска может быть медленным, если сталь не склонна к отпускной хрупкости, или быстрым. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные напряжения. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которого сталь получает требуемые свойства.

18. Цементация стали. Цементацией называют процесс поверхностного насыщения стали углеродом. Цементации подвергают изделия из углеродистой и легированной стали с содержанием углерода до 0,20%. По способу производства различают цементацию в твердом карбюризаторе и газовую цементацию

Цементация в твердом карбюризаторе. Цементация по этому способу осуществляется путем длительного нагрева при температуре выше А_Сa деталей, упакованных в ящиках (рис. 75) вместе с карбюризатором.

В качестве карбюризатора чаще всего применяют смесь древесного угля с углекислыми солями (Na₂C0₃, ВаС0₃ и др.).

Для нагрева цементационных ящиков можно использовать камерную печь или печь с выдвижным подом.

При нагреве происходит химическое взаимодействие между кислородом воздуха, находящимся в ящике, древесным углем и углекислыми солями. В результате этого взаимодействия образуется активный (атомарный) углерод, который проникает в поверхностный слой изделия. Для углеродистых и легированных сталей цементацию проводят при температуре 900—930°. Выдержка при этой температуре в течение 7—9 час. позволяет получить цементованный слой глубиной в 1,5 мм. Длительная выдержка при высокой температуре способствует получению крупнозернистой структуры и снижению твердости поверхностного слоя. После цементации с целью исправления структуры и повышения твердости поверхностного слоя детали подвергают термической обработке: нормализации или закалке при температуре 900—920° для размельчения зерна сердцевины, повторной закалке при температуре 770—790° для повышения твердости поверхностного слоя и низкому отпуску при 150—170°.

19. Азотирование стали. Азотирование стали — насыщение поверхности стальных деталей азотом для повышения твердости, износоустойчивости и коррозионной стойкости. При азотировании образуется атомарный азот, который поглощается поверхностью стальных деталей с образованием твердого раствора азота в матрице металла, нитридов железа и нитридов легирующих элементов. Технологический процесс изготовления деталей при применении азотирования состоит из:

1. предварительная термическая обработка детали;

2. механическая обработка детали, включая шлифование;

3. защита мест, не подлежащих азотированию (покрытие тонким слоем олова гальваническим способом);

4. азотирование;

5. окончательное шлифование.

При азотировании может быть коробление деталей. Тем больше, чем выше температура азотирования и глубина азотированного слоя и чем тоньше стенки детали. В качестве примеров сталей которые подвергаются азотированию имеются такие как 38Х2МЮА, 40ХНА, 50Х, 45ХМ, 30 ХГТ и другие.

20.Цианировнаие, нитроцементация стали. Цианированием называется процесс одновременного насыщения стали углеродом и азотом с целью повышения твердости, износостойкости и коррозионной стойкости изделия.

Одновременное присутствие углерода и азота ускоряет их совместную диффузию в поверхностные слои металла. Цианированию подвергают углеродистые и легированные стали.

Различают два вида цианирования:

· высокотемпературное, проводимое при температуре, лежащей выше Ас₃,

· низкотемпературное при температуре ниже Ac₁.

При высокотемпературном цианировании металл насыщается в большей степени углеродом, чем азотом, а при низкотемпературном цианировании — в большей степени азотом, чем углеродом. Цианирование производится в жидкой или газовой среде. Следует при этом отметить, что применяемые расплавленные цианистые соли представляют собой сильный яд. В связи с вредностью производства жидкостное цианирование заменяют газовым цианированием, которое может производиться в муфельных электрических печах.

Нитроцементация сталей — процесс насыщения поверхности стали одновременно углеродом и азотом при 700—950 °C в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Наиболее часто нитроцементация проводится при 850—870 °С. После нитроцементации следует закалка в масло с повторного нагрева или непосредственно из нитроцементационной печи с температурой насыщения или небольшого подстуживания. Для уменьшения деформации рекомендуется применять ступенчатую закалку с выдержкой в горячем масле 180—200 °С. Процесс нитроцементации получил широкое распространение в машиностроении для деталей, по условиям работы которых достаточна толщина упрочненного слоя 0,2—1,0 мм. На ВАЗе 94,5 % деталей, упрочняемых химико-термической обработкой, подвергается нитроцементации. Например, нитроцементация широко применяется для упрочнения зубчатых колёс. В этом случае эффективная толщина слоя (до HV 600) для шестерён с модулем 1,5—3,5 мм принимается 0,3 ± 0,1, а при модуле 4,0—5,5 мм — 0,4 ± 0,1.

21. Маркировка углеродистых конструкционных и инструментальных сталей. Классификация углеродистых сталей

Углеродистые стали классифицируют по структуре по способу получения
-по степени раскисления
-по качеству
- по назначению

По структуре углеродистые стали подразделяют на:
- доэвтектоидные (содержат менее 0,8% С)
- эвтектоидные (0,8% С)
- заэвтектоидные (С более 0,8%)

По способу получения углеродистые стали разделяют на:
- кислородно-конвертерные
- мартеновские
- электростали

По степени раскисления углеродистые стали бывают:
- спокойные
- полуспокойные
- кипящие

По качеству (качество определяется содержанием вредных примесей в стали) углеродистые стали разделяют на:
- стали обыкновенного качества
- качественные стали

По назначению углеродистые стали разделяют на:
- конструкционные
- инструментальные

Маркировка углеродистых сталей

Маркировка углеродистых сталей зависит от их качества и назначения.
Стали обыкновенного качества имеют 3 группы поставки: А, Б, В.
Стали группы А поставляются с гарантированными механическими свойствами, химический состав не регламентируют.
Стали группы Б поставляются с гарантированным механическим составом, механические свойства не гарантируются.
Стали группы В поставляются с гарантированными химическим составом и механическими свойствами.

Все эти стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-71) маркируются буквами Ст, после которых ставится цифра от 0 до 6.
Впереди марки – буква, указывающая группу поставки (для стали группы А – не ставится). В конце марки указывается степень раскисления: пс, кп (для спокойных – не указывают).
Ст3кп – углеродистая сталь обыкновенного качества, группы поставки А, с номером 3, кипящая.

ВСт4пс – углеродистая сталь обыкновенного качества, группы поставки В, с номером 4, полуспокойная.

Для сталей группы поставки А номер характеризует механические свойства (выше номер – выше прочность). У сталей группы Б с возрастанием номера возрастает содержание углерода. У сталей группы В механические свойства такие же как у стали группы А, а химический состав как у стали группы Б аналогичного номера.
О механических свойствах и химическом составе информацию получают в сопроводительных документах.

Качественные конструкционные углеродистые стали (ГОСТ 1050-74) маркируют цифрами 08, 10, 15, 20, 25… до 85. Цифры означают среднее содержание углерода в сотых долях процента.
Если сталь содержит повышенное количество марганца (0,8-1,2%), то после цифр ставится буква Г. В конце марки указывают степень раскисления (кп или пс).

Сталь 40 – качественная конструкционная углеродистая сталь с содержанием углерода 0,4 %, спокойная.

Сталь 65Гпс – качественная конструкционная углеродистая сталь с содержанием углерода 0,65%, более 0,8% марганца, полуспокойная.

Инструментальные углеродистые стали (гост 1435-74) тоже качественные. Они маркируются большой буквой У и цифрами, которые означают содержание углерода в десятых долях процента. Эти стали всегда качественные. Однако, если сталь имеет повышенное качество, то в конце марки ставится буква А.

Обычно в качестве инструментальной стали используют стали с повышенным содержанием углерода (0,75-1,3%). Они отличаются высокой твердостью и прочностью. Из них изготавливают сверла, метчики, развертки, а также пуансоны и матрицы штампов для холодной штамповки. Недостатком углеродистых инструментальных сталей является их низкая теплостойкость – при нагреве выше 200?С их твердость снижается, поэтому в этих случаях целесообразно применять легированные инструментальные стали.

У8 – инструментальная углеродистая со средним содержанием углерода 0,8% (имеет точно такой же химический состав, что и Сталь 80, но отличается структурой и свойствами).

У12А – углеродистая инструментальная сталь, 1,2% углерода, повышенного качества.