Материаловедение

 Активные  атомы азота проникают в решетку а-железа и диффундируют в ней. Образующиеся при этом нитриды железа еще не обеспечивают достаточно высокой твердости. Высокую твердость азотированному слою придают нитриды легирующих элементов, прежде всего хрома, молибдена, алюминия. При совместном легировании стали хромом, молибденом, алюминием твердость азотированного слоя достигает 1200 HV, в то время как после цементации и закалки твердость равна 900 HV.

 Благодаря высокой твердости нитридов легирующих элементов азотированию обычно подвергают легированные среднеуглеродистые стали. К таким сталям относятся: 38Х2МЮА, 35ХМА, более дешевая 38Х2Ю6, а так же некоторые штамповые стали, например ЗХ2В8,5ХНМ.

 Азотированию  обычно подвергают готовые изделия, прошедшие механическую и окончательную термическую обработку (закалку с высоким отпуском 600-675 "С, температура которого выше максимальной температуры азотирования). После такой термической обработки металл приобретает структуру сорбита, имеющую высокие прочность и вязкость. Эта структура сохраняется в сердцевине детали и после азотирования. Высокая прочность металлической основы необходима для того, чтобы тонкий и хрупкий азотированный слой не продавливался при работе детали. Высокая твердость после азотирования достигается сразу и не требует последующей термической обработки. Это важное преимущество процесса азотирования.

 Участки, не подлежащие азотированию, защищают нанесением тонкого слоя олова (10-15 мкм) электролитическим методом или жидкого стекла. Глубина азотированного слоя составляет 0,3-0,6 мм. Из-за сравнительно низких температур скорость азотирования значительно меньше, чем скорость цементации, и составляет всего 0,01 мм/ч и менее. По сравнению с цементацией азотирование имеет ряд преимуществ и недостатков.

 Преимуществами  азотирования являются более высокая твердость и износостойкость поверхностного слоя, сохранение им высоких свойств при нагреве до 500 °С, а также высокие коррозионные свойства. В азотированном слое создаются остаточные напряжения сжатия, что повышает усталостную прочность. Кроме того, после азотирования не требуется закалки, что позволяет избежать сопутствующих ей дефектов.

 Недостатками  азотирования по сравнению с цементацией  являются более высокая длительность процесса и необходимость применения дорогостоящих легированных сталей. Поэтому азотирование применяют в случае изготовления более ответственных деталей, обеспечивающих особо высокое качество поверхностного слоя.

 Азотирование  применяют в машиностроении для  изготовления измерительного инструмента, гильз, цилиндров, зубчатых колес, шестерен, Втулок, коленчатых валов и др. 
 
 
 

 Цианирование  стали

 Цианированием (нитроцементацией) называется процесс совместного насыщения поверхности стальных деталей азотом и углеродом. Основная цель цианирования состоит в повышении твердости и износостойкости деталей.

 При цианировании нагрев осуществляется либо в расплавленных ' Волях, содержащих цианистые соли NaCN или KCN, либо в газовой среде, состоящей из смеси СН₄ и NH₃. Состав и свойства цианирования зависят от температуры проведения цианирования. В зависимости от температуры процесса различают высокотемпературное (850-950 °С) и низкотемпературное (500-600 °С) цианирование. Чем выше температура цианирования, тем меньше насыщение повер-1рностного слоя азотом и больше углеродом. Совместная диффузия углерода и азота протекает быстрее, чем у каждого из них в отдельности.

 При низкотемпературном цианировании поверхностный  слой насыщается преимущественно азотом. Низкотемпературному цианированию ,8бьгчно подвергают окончательно изготовленный и заточенный режущий Инструмент из быстрорежущих марок стали с целью повышения его износостойкости и красностойкости. После низкотемпературного цианирования отпуск не производится. Глубина цианированного слоя твердостью ЯЮ0 HV составляет 0,01-0,04 мм.

 После высокотемпературного цианирования на глубину 0,6-1,8 мм в течение 3-10 ч детали подвергают закалке и низкому  отпуску. Твердость. После термообработки составляет 59-62 HRC.

 По  сравнению с цементированным  цианированный слой имеет несколько более высокие твердость и износостойкость, а также повышенное сопротивление коррозии. В ваннах можно подвергать цианированию мелкие детали, например детали часовых механизмов, для которых достаточно получение слоя небольшой толщины.

 Недостатком цианирования является более высокая стоимость процесса, связанная с необходимостью строгого соблюдения правил техники безопасности из-за высокой токсичности цианистых солей. 

4.Как классифицируются легированные стали по структуре в нормализованном состоянии?  Примеры использования этих сталей. 
 

   Элементы, специально вводимые в  сталь для изменения ее строения  и свойств, называют легирующими. Стали, содержащие легирующие элементы, называются легированными. При этом если содержание кремния превышает 0,4 % или марганца 0,8 %, то они также относятся к легирующим элементам.

 Появление и широкое распространение легированных сталей обусловлено непрерывным ростом требований, предъявляемых к материалам по мере совершенствования техники. Легирование производится с целью изменения механических (прочности, пластичности, вязкости), физических (электропроводности, магнитных характеристик) и химических (коррозионной стойкости в разных средах) свойств.

 Необходимый комплекс свойств обычно обеспечивается не только легированием, но и термической обработкой, позволяющей получать наиболее оптимальную структуру металла. Легированные стали дороже углеродистых, поэтому применять их без термической обработки нерационально.

 Основными легирующими элементами являются: Сг, Ni, Мп, Si, W, Mo, V, Al, Си, Ti, Nb, Zr, В. Часто сталь легируют не одним, а несколькими элементами, например Сг и Ni, получая хромоникелевую сталь, Сг и Мп — хромомарганцевую сталь, Сг, Ni, Mo, V — хромоникельмолибденова-надиевую сталь.

 Все легирующие элементы можно разделить на две группы: расширяющие у-область — аустенитообразующие легирующие элементы и сужающие у-область (расширяющие область а-твердых растворов) — ферритообразующие легирующие элементы.

 К числу  аустенитообразующих легирующих элементов  относятся: Ni, MN, Со, Си, C,N.

 К числу  ферритообразующих легирующих элементов  относятся: Сг, Si, Al, Mo,V,Ti,W,Nb, Zr.

 При легировании сталей аустенитообразующими элементами в большом количестве может произойти полное «выклинивание» области Fe_a, и в этом случае стали будут иметь аустенитную структуру при комнатной температуре — аустенитные стали.

 При легировании сталей ферритообразующими элементами в большом количестве может произойти «выклинивание» области Fe^, и стали приобретут чисто ферритную структуру — ферритные стали.

 При комбинированном легировании сталей аустенито- и ферритообразующими элементами структура стали будет состоять из аустенита и феррита, а стали будут аустенитно-ферритные.

 В большинстве  конструкционных сталей феррит при  температуре эксплуатации является основной структурной составляющей, занимающей не менее 90% от объема металла. Поэтому от свойств феррита во многом зависят свойства стали в целом. Чем больше разница в атомных размерах железа и легирующего элемента, тем больше искажение кристаллической решетки, тем выше твердость, прочность, но ниже пластичность и особенно вязкость феррита.

 

 2  

 На  рис. 3.15 видно, что все основные легирующие элементы повышают твердость феррита. При этом хром и особенно никель почти не уменьшают вязкость стали. Никель наиболее сильно понижает порог хладноломкости. Кроме того, никель, хром, марганец и некоторые другие элементы, хорошо растворимые в аустените, повышают его устойчивость при охлаждении, тем самым повышая прокаливаемость стали. Наиболее эффективно никель и хром увеличивают прокаливаемость стали при одновременном введении в сталь, т. е. при так называемом комплексном легировании. 
 
 
 
 
 

 

 Рисунок показывает влияние легирующих элементов  на свойства медленно охлажденного (нормализованного) феррита и порог хладноломкости: а - твердость; б - ударная вязкость; в - порог хладноломкости (по А. П. Гуляеву) 

 Возможность достижения высокой прочности, пластичности, вязкости, прокаливаемости делает никель и хром важнейшими легирующими элементами в конструкционных сталях.

 Классификация легированных сталей

 Легированные  стали классифицируют по структуре  в равновесном состоянии, по структуре после охлаждения на воздухе, по равновесной структуре стали делятся на: доэвтпектоидные с избыточном ферритом в структуре, эвтектоидные с перлитной структурой, заэвтектоидные с избыточными карбидами, ледебуритные, в структуре которых присутствуют первичные карбиды, выделившиеся из жидкой стали. Последнее обстоятельство объясняется тем, что легирующие элементы сдвигают влево точки 5, Е диаграммы железо-углерод. Поэтому граница между перечисленными сталями проходит при меньшем содержании углерода по сравнению со значениями, указанными на диаграмме Fe-Fe₃C.

 Учитывая, что некоторые элементы резко  сужают или расширяют область у-железа, кроме этих групп сталей различают аустенитные и ферритные.

 Углеродистые  стали бывают только первых трех классов, легированные — всех шести классов.

 По  структуре после охлаждения на воздухе  различают: перлитные стали, характеризующиеся низким содержанием легирующих элементов и соответственно невысокой устойчивостью переохлажденного аустенита; мартенситные стали со средним содержанием легирующих элементов и соответственно высокой устойчивостью аустенита и аустенитные стали, содержащие большое количество легирующих элементов и сохраняющие аустенитную структуру при комнатной температуре.

 По  количеству легирующих элементов различают  низколегированные стали, содержащие до 2,5 %, среднелегированные — от 2,5 до 10 % и высоколегированные — более 10 % легирующих элементов.

 По  назначению различают три группы сталей: конструкционные (машиностроительные и строительные), инструментальные (штамповые, для режущего и измерительного инструмента) и с особыми физическими и химическими свойствами (коррозионностойкие, жаропрочные, электротехнические, магнитные и др.).

 3.8. Маркировка  сталей по российским и международным  стандартам

 3.8.1. Принципы  маркировки сталей в России

 В России принята буквенно-цифровая система  маркировки легированных сталей. Каждая марка стали содержит определенное сочетание букв и цифр. Легирующие элементы обозначаются буквами русского алфавита: X — хром, Н — никель, В — вольфрам, М — молибден, Ф — ванадий, Т — титан, Ю — алюминий, Д — медь, Г—марганец, С — кремний, К — кобальт, Ц — цирконий, Р — бор, Б — ниобий. Буква А в середине

 марки стали показывает содержание азота, а в конце марки — на то, что сталь высококачественная.

 Для конструкционных марок стали  первые две цифры — это содержание углерода в сотых долях процента. Если содержание легирующего элемента больше 1 %, то после буквы указывается его среднее значение в целых процентах. Если содержание легирующего элемента около 1 % или меньше, то после соответствующей буквы цифра не ставится.

 В качестве основных легирующих элементов в  конструкционных сталях применяют, %: до 2 Сг, 1-4 Ni, до 2 Мп, 0,6-1,2 Si. Такие легирующие элементы, как Mo, W, V, Ti, обычно вводят в сталь в сочетании с Сг, Ni с целью дополнительного улучшения тех или иных физико-механических свойств. В конструкционных сталях эти элементы обычно содержатся в следующих количествах, %: 0,2-0,4 Мо; 0,5-1,2 W; 0,1-0,3 V; 0,1-0,2 Ti.

 Например, сталь марки 18ХГТ содержит, %: 0,17-0,23 С; 1,0-1,3 Сг, 0,8-1,1 Мп, около 0,1 Ti.

 Сталь марки 38ХНЗМФА содержит, %: 0,33-0,40 С; 1,2-1,5 Сг; 3,0-

 3.5 Ni; 0,35-0,45 Мо; 0,1-0,18 V; сталь марки ЗОХГСА - 0,32-0,39 С; 
1,0-1,4 Сг; 0,8-1,1 Мп; 1,1-1,4 Si.

 В инструментальных сталях в начале обозначения марки  стали ставится цифра, показывающая содержание углерода в десятых долях процента. Начальную цифру опускают, если содержание углерода составляет около 1 % или более.