Лекции по "Материаловедению"

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:

для повышения поверхностной  твердости и износостойкости;

для улучшения коррозионной стойкости (антикоррозионное азотирование).

В первом случае процесс  проводят при температуре 500…560oС  в течение 24…90 часов, так как скорость азотирования составляет 0,01 мм/ч. Содержание азота в поверхностном слое составляет 10…12 %, толщина слоя (h) – 0,3…0,6 мм. На поверхности получают твердость около 1000 HV. Охлаждение проводят вместе с печью в потоке аммиака.

Значительное сокращение времени азотирования достигается при ионном азотировании, когда между катодом (деталью) и анодом (контейнерной установкой) возбуждается тлеющий разряд. Происходит ионизация азотосодержащего газа, и ионы бомбардируя поверхность катода, нагревают его до температуры насыщения. Катодное распыление осуществляется в течение 5…60 мин при напряжении 1100…1400 В и давлении 0,1…0,2 мм рт. ст., рабочее напряжение 400…1100 В, продолжительность процесса до 24 часов.

Антикоррозионное азотирование проводят и для легированных, и для углеродистых сталей. Температура проведения азотирования – 650…700oС, продолжительность процесса – 10 часов. На поверхности образуется слой — фазы толщиной 0,01…0,03 мм, который обладает высокой стойкостью против коррозии. ( –фаза – твердый раствор на основе нитрида железа Fe3N, имеющий гексагональную решетку).

Азотирование проводят на готовых изделиях, прошедших окончательную  механическую и термическую обработку (закалка с высоким отпуском).

После азотирования в  сердцевине изделия сохраняется структура сорбита, которая обеспечивает повышенную прочность и вязкость.

20. Цианирование , нитроцементация стали.

Цианирование называется процесс одновременного насыщения  поверхности деталей углеродом  и азотом.

На состав и свойства цианированного слоя особое влияние оказывает температура процесса. Повышение температуры цианирования ведет к увеличению содержания углерода  в слое, снижает температуры- к увеличению содержания азота.

Толщина цианированного слоя также зависит от температуры-и  продолжительности процесса. Для цианирования применяют стали, содержащие 0,3-0,4% углерода.

Различают жидкое и газовое  цианирование. Газовое цианирование еще называют нитроцементацией. Жидкое цианирование проводят в расплавленных  солях, содержащих цианистый натрий NACN. Примерный состав ванны следующий:20-25% NACN; 25-50% Nacl и 25-50% Na2CO3.

Первый состав применяют  для цианирования при 820-850С, второй -при 900-950С.

Цианирование при температурах 820-850С позволяет осуществлять закалку  непосредственно из ванны. После закалки следует низкотемпературный отпуск. Твердость цианированного слоя после термической обработки HRC 59-62.

Цианирование при температурах 820-850С позволяет получать слои толщиной 0,15-0,35 мм за 30-90 минут. Глубокое цианирование имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией: меньше продолжительность процесса для получения слоя заданной толщины; меньше деформация и коробление; более высокое сопротивление износу и повышенная усталостная прочрость.

После цианирования детали охлаждают на воздухе, повторно нагревают для закалки и проводят низкотемпературный отпуск.

Недостатком цианирования является ядовитость цианистых солей. Поэтому цианирование проводят в  специально выделенных помещениях с  соблюдением мер предосторожности.

Нитроцементацию осуществляют при температурах 840-860С в газовой смеси из неуглероживающего газа и аммиака. Продолжительность процесса зависит от глубины насыщаемого слоя и составляет 1-10 ч. Толщина слоя колеблется от 0,1 до 1 мм.

После нитроцементации  изделия подвергают закалке и низкотемпературному отпуску при температуре 160-180С.

Низкотемпературное цианирование осуществляется при температурах 540-560С  в расплавленных цианистых солях.

Низкотемпературному цианированию подвергают инструмент из быстрорежущих  сталей для повышения его стойкости при резании. В результате такой обработки образуется нитроцементованный слой толщиной 0,02-0,04мм твердостью HV 9500-11000. Длительность процесса 1-1,5 часа.

Нитроцементация в твердых  смесях применяется для повышения  стойкости инструментов из быстрорежущей стали. Инструменты укладываются в металлические ящики и пересыпаются смесью, состоящей из 60-80% древесного угля и 20-40% желтой кровяной соли или другого состава. Потом ящики закрывают и устанавливают в печь с температурой 550-560С. После выдержки 2-3ч ящики выгружают из печи и охлаждают до 200-100С. Затем ящики раскрывают и вынимают инструмент, очищая металлическими щетками.

Хрупкость слоя возникает  при пересыщении слоя углеродом  и азотом, когда образуется сетак  или сплошная корка карбонитридов у самой поверхности.

«Темная составляющая»  в структуре возникает после  нитроцементации в виде темной разорванной  или сплошной сетки, обнаруживаемой на нетравленных микрошлифах. Причина: повышенная концентрация азота, увеличение времени выдержки и появление окисляющих газов в рабочем пространстве печи.

21.Классификация  и маркировка углеродистых конструкционных  и инструментальных сталей. Область  их применения.

2. Классификация углеродистых  сталей

В зависимости от назначения стали делят на:

конструкционные (детали машин, механизмов и различных конструкций, болты, гайки, мосты, краны);

инструментальные стали (режущий инструмент, мерительный  инструмент, штампы).

По структуре:

- доэвтектоидные;

- эвтектоидные;

- заэвтектоидные.

По содержанию углерода:

- малоуглеродистые (0,025ч0,25%С);

- среднеуглеродистые (0,25ч0,6%С);

- высокоуглеродистые (> 0,6%С).

По качеству:

- обыкновенного качества ( <0,05%S; <0,04%Р);

- качественные ( <0,04%S; <0,035%Р);

- высококачественные ( <0,03%S; <0,03%Р).

Качество сталей определяется содержанием в них вредных примесей: серы и фосфора.

Конструкционные стали  изготавливают обыкновенного качества и качественными; инструментальные стали - качественными и высококачественными.

3. Стали обыкновенного  качества

Данные стали в процессе выплавки меньше очищаются от вредных примесей и содержат больше S и Р, большое количество неметаллических включений, значительно развита ликвация. Содержание S до 0,05%; Р до 0,04%.

Маркируются: Cт0, Cт 1, Cт2, Cт3, Cт4, Cт5, Cт6.

Все эти стали по структуре доэвтектоидные - 0,06-0,49%С.

Указание способа раскисления:

Cт 1кп Cт 3 кп

Cт 1 пс Cт 3 пс

Cт 1 сп Cт 3 сп

Начиная со стали 4 выпускают  только стали сп и пс: Cт6сп, Cт6пс.

Каждая марка стали  выполняется в 14 вариантах, которые  гарантируют определенные механические, химические свойства (ув, ут, KCV, д, содержание Р, S, Mn, C…).

Рассмотрим в качестве примера сталь - Cт3сп4.

Первая цифра «3» - указывает  только порядковый номер марки стали  по ГОСТ 380-88, а не содержание углерода. Но с увеличением номера содержание углерода увеличивается. Чем больше содержится в стали углерода, тем выше прочность (ут, ув) и ниже пластичность (д, ш, KCU).

Вторая цифра «4» (может  изменяться от 1 до 5) - гарантирует определенные механические свойства и химический состав стали (категория поставки).

Стали 1-ой категории имеют  гарантию по механическим свойствам (предел текучести (ут, МПа), временное сопротивление (ув, МПа), относительное удлинение (д, %)).

Стали 2-ой категории имеют  гарантию по механическим свойствам  и химическому составу.

Стали 3-й категории - по механическим свойствам, химическому  составу и ударной вязкости при +200С.

Стали 4-ой категории - по механическим свойствам, химическому  составу и ударной вязкости при -200С.

Стали 5-ой категории - по механическим свойствам, химическому составу, ударной вязкости при -200С и после старения.

Для сталей марки Ст0 (беззаказка):

S < 0 < 0,06%, Р < < 0,07%.

Области применения сталей обыкновенного качества:

Ст0 - ограждения, перила, кожухи, обшивка (т.е. детали неответственные).

Ст1 - детали с высокой вязкостью и низкой твердостью (анкерные (фундаментные) болты, связывающие обшивки).

Ст2 - неответственные  детали требующие высокой пластичности или глубокой вытяжки.

Ст3 - несущие элементы сварных и не сварных конструкций  или деталей; фасонные швеллеры для рамы тракторов, обода колес автомобилей, фасонные профили для с/х машиностроения; арматура гладкого профиля для армирования ж/б конструкций.

Ст5 - болты, гайки, тяги, трубные  решетки, клинья, рычаги, упоры, штыри, стержни, пальцы.

Ст6 - бабы молотов (ударная часть), шпиндели (вращающая часть на станке), ломы строительные.

От Ст0 до Ст6 - балки  двутавровые, швеллеры, угловая сталь.

Стали обыкновенного  качества поставляются по гарантированному химическому составу и механическим свойствам.

Спокойная сталь по температуре  перехода в хрупкое состояние  значительно лучше, чем кипящая.

4. Качественные конструкционные  углеродистые стали

Эти стали выплавляют кислородно-конверторным способом, в  мартеновских печах или электропечах. В зависимости от раскисления они могут быть спокойными или кипящими.

К стали этой группы предъявляются  более высокие требования относительно химического состава:

меньше содержание серы - 0,04%,

фосфора - 0,035%;

меньше количество неметаллических  включений;

повышенные требования к макро- и микроструктуре сплава.

Поставляются стали  по гарантированному химическому составу  и механическим свойствам.

Маркировка производится цифрами по ГОСТ1050-88: 05, 08, 10, 15, 20, …70, 75, 85,…08ю (Al), 10кп. Цифры указывают  среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Стали 65, 70, 75, 80 можно отнести  к группе рессорно-пружинных сталей (характеризуются высоким пределом упругости).

Выпускают стали в  соответствии с ГОСТ 1050-88. Изготавливают  горячекатаную и кованую сталь  с термической обработкой (отжиг, нормализация, высокий отпуск), так и без нее.

Сталь предназначается  для горячей обработки давлением, механической обработки и для  холодного волочения (подкат). В сталях 08, 10, 15, 20 - Mn ? 0,35 - 0,65%.

В остальных: Mn ? 0,5 ч 0,8%.

Содержание кремния: Si ? 0,17 - 0,37% (в кипящих сталях 0,07%).

Области применения углеродистых качественных конструкционных сталей.

05кп, 08, 08кп, 08ю - детали  изготавливаемые холодной штамповкой  и глубокой вытяжкой (кузова, крылья  автомобилей, топливные баки, змеевики, элементы сварных конструкций);

10, 15 - используют для  деталей не испытывающих высоких  нагрузок: кулачковые валики, рычаги, оси, втулки, болты, гайки, заклепки, муфты.

20, 25 - крепежный материал, соединительные муфты, шпиндели, толкатели клапанов, пальцы рессор, рамы и другие детали автотракторного с/х машиностроения.

30, 35 - слабонагруженные  оси, валы различных машин и  механизмов, шпиндели, шестерни ,рычаги, звездочки, кольца, шатуны.

40, 45, 50 - средненагруженные  оси, валы, шестерни, втулки, коленчатые валы, плунжеры, фрикционные диски.

60, 65, 70, 75, 80, 85 - пружины,  рессоры, шпиндели, замковые шайбы,  прокатные валки, ж/д рельсы, крановые  колеса.

5. Автоматные стали  (конструкционные)

Хорошо обрабатываются при больших скоростях резания, при этом получается высокое качество поверхности. Это достигается повышенным содержанием серы и фосфора. (S = 0,08 ч 0,3%; Р ? 0,08 ч 0,15%).

Сульфиды марганца MnS способствуют образованию короткой и ломкой стружки. Фосфор, повышая  прочность, твердость и порог хладноломкости, способствует образованию ломкой стружки и получению гладкой и блестящей поверхности.

Маркировка: А12, где А - автоматная, «12» - среднее содержание углерода в сотых долях процента.

А4ОГ - повышенное содержание Mn (1,2-1,55%).

Содержание: S ? 0,08 - 0,3%;

Р ? 0,08 - 0,15%.

А12 - 0,12%С, А30 - 0,3%С, А20 - 0,2%С, А40Г - 0,4%С.

Для улучшения обрабатываемости можно добавлять свинец в количестве 0,15 - 0,3%.

АС11, АС 14, АС40 - 0,4%С.

Может быть проведено  легирование селеном (Se): ? 0,1%.

А35Е - 0,35%С.

Обрабатываемость улучшается в 2 раза (по сравнению со сталями  с повышенным содержанием S и P).

Из автоматных сталей изготавливают болты, гайки, винты, детали сложной конфигурации на станках  автоматах.