Ответы на вопросы к экзамену по металлам, страница 6

Азотированием называют процесс насыщения стали азотом. По сравнению с цементацией, этот процесс применяют сравнительно недавно.

Азотирование применяют для: повышения твёрдости и износоустойчивости, усталостной прочности, сопротивления коррозии.

Азотирование обычно проводят при 500-600ºС. В железную герметически закрытую реторту (муфель), вставленную в печь, помещают детали, подвергаемые азотированию.

В реторту из баллона поступает с определённой скоростью аммиак, который разлагается в ней (диссоциирует) по реакции: . Образующийся атомарный азот диффундирует в металл.

Глубина и поверхностная твёрдость азотированного слоя зависят от рада факторов, из которых основные: температура азотирования, продолжительность азотирования и состав азотируемой стали.

1. Основы легирования и роль легирующих элементов. Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа, мартенситное превращение, изотермический распад аустенита, превращение при отпуске. Классификация легированных сталей по структуре в нормализованном состоянии.

В соответствии с классификацией, предложенной Н. Т. Гудцовым, все примеси (химические элементы), содержащиеся в стали, можно разделить на четыре группы:

1. Постоянные или обыкновенные примеси. К этой группе относятся марганец и кремний, а также алюминии и титан, которые как кремний и марганец, применяются в качестве раскислителей, эти элементы присутствуют в любой хорошо раскис­ленной стали (В кипящей стали содержание кремния, алюминия и титана очень невелико), потому что введение их в металл необхо­димо при производстве стали; к постоянным (обыкновенным) приме­сям следует отнести серу и фосфор, потому что полностью освобо­диться от них при массовом производстве стали невозможно. Содер­жание этих элементов находится в спокойной стали обычно в пре­делах: 0,3-0,7 % Мn; 0,2-0,4 % Si; 0,01-0,02 % Al; 0,01­-0,05 % Р и 0,01-0,04 % S; 0,01-0, 2 % Ti.

2. Скрытые примеси. Это кислород, водород и азот, присутствующие в любой стали в очень малых количествах. Методы их химического определения сложны, поэтому содержание этих элементов в обычных технических условиях не указывается.

3. Случайные примеси. К этой группе относятся примеси, попадающие в сталь из шихтовых материалов или вследствие каких-либо случайных причин.

Так, уральские руды содержат небольшое количество меди, и она попадает в сталь, выплавленная из этих руд. Сталь, выплавлен­ная из керченских руд, имеет мышьяк, так как эти руды содержат мышьяк. Переплавка луженого оцинкованного и другого скрапа приводит к тому, что в металл попадают олово, цинк, сурьма, сви­нец и т. д.

Стали, выплавленные на так называемой первородной шихте без использования скрапа (лома), основного источника загрязнения, не содержат случайных примесей. Они также очень чистые по сере и фосфору,

4. Легирующие элементы. Элементы, специально вводимые в сталь в определенных концентрациях с целью изменения ее строе­ния и свойств, называются легирующими элементами (от греческого слова «лега»- сложное).

В связи с этим стали, в которые для получения требуемых свойств специально вводят легирующие элементы, называют легированными сталями (легированные стали иногда называют специальными).

Примеси первых трёх групп – в той или иной степени неизбежное следствие технологического процесса производства стали и известно, что в указанных концентрациях их нельзя рассматривать как легирующие элементы, а стали, содержащие эти экспримеси, но в больших количествах, следует относить к легированным сталям.

Влияние элементов на полиморфизм железа

Все элементы, которые растворяются в железе, влияют на температурный интервал существования его аллотропических модификаций т, е, сдвигают точки A₃ и А₄ по температурной шкале.

Большинство элементов или повышают точку А₄ и снижав точку A₃, расширяя тем самым область существования γ-модификации или понижают А₄ и повышают A₃, сужая область существования γ –модификации.

Из схематических диаграмм с стояния железо —легирующий элемент, приведенных на рис. видно, что свыше определенного содержания марганца, никеля или некоторых других элементов γ -состояние существует как стабильное от комнатной температуры до температуры плавления. Такие сплавы на основе железа называются аустенитными. При содержании ванадия молибдена, кремния и других элементов свыше определенного предела устойчивым при всех температурах является α-состояние.

Такие сплавы на основе железа называются ферритными. В от­личие от других сплавов на основе железа аустенитные и ферритные сплавы не имеют превращений при нагреве и охлаждении.

В промышленных легированных сталях, которые являются многокомпонентными системами, легирующие элементы могут находиться:

а) в свободном состоянии,

б) в форме интерметаллических соединений с железом или между собой,

в) в виде оксидов, сульфидов и других неметаллических включений,

г) в карбидной фазе – в виде раствора в цементите или в виде самостоятельных соединений с углеродом – специальных карбидов,

д) в форме раствора в железе.

Легирующие элементы преимущественно растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов (феррит, аустенит, цементит) или образуют специальные карбиды.

Отпуск заключается в нагреве закалённой стали, структура которой состоит из тетрагонального мартенсита и остаточного аустенита, до температур ниже А_С1, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. Так как мартенсит представляет собой перенасыщенный твёрдый раствор углерода в , то структура закалённой стали является нестабильной и при отпуске протекают процессы, приводящие к равновесному состоянию стали, что, очевидно, будет достигаться выделением углерода из мартенсита и остаточного аустенита.

Классификация по структуре после охлаждения на воздухе

Учитывая структуру, получаемую после охлаждения на спокойном воздухе образцов небольшой толщины, можно выделить три основ­ных класса сталей:

1) перлитный

2) мартенситный;

3) аустенитный.

Стали перлитного класса характеризуются относительно малым содержанием легирующих элементов, мартенситного — более значи­тельным и, наконец, аустенитного — высоким содержанием легиру­ющих элементов.

Получение трех классов стада обусловлено тем, что по мере увеличения содержания легирующих элементов устойчивость аусте­нита в перлитной области возрастает, а температурная область мартенситного превращения понижается.

Для легированных сталей перлитного класса (как и для угле­родистых) кривая скорости охлаждения на воздухе будет пересекать область перлитного распада в будут получаться структуры — пер­лит, сорбит, тростит.

У сталей мартенситного класса область перлитного распада уже значительно сдвинута вправо. Поэтому охлаждение на воздухе не приводит к превращению в перлитное области — аустенит здесь переохлаждается без распада до температур мартенситного превра­щения, где и происходит образование мартенсита.

Дальнейшее увеличение содержания углерода и легирующего элемента не только сдвигает вправо область перлитного распада, но и снижает мартенситную точку, переводя ее в область отрица­тельных температур. В этом случае сталь, охлажденная на воздухе до комнатной температуры, сохранит аустенитное состояние.

Классификация по составу

В зависимости от состава легированные стали классифицируются как никелевые, хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и тому подобные стали. Классификационный признак — наличие в стали тех или иных легирующих элементов.

Классификация по назначению

В зависимости от назначения стали можно объединить в следующие группы.

Конструкционная сталь, идущая на изготовление деталей ма­шин. Конструкционная сталь, как правило, у потребителя подвер­гается термической обработке. Поэтому конструкционные стали подразделяют на цементуемые (подвергаемые цементации) и улучшаемые (подвергаемые закалке и отпуску, практически не обязательно высокому).

Близкие по составу к конструкционным сталям, но не предназна­ченные для термической обработки у потребителя, объединяются в группу так называемых строительных сталей (они в основном применяются в строительстве). Часто их называют низколегирован­ными.

Инструментальная сталь, идущая на изготовление режущего, измерительного, штампового и прочего инструмента. Инструмен­тальные стали условно подразделяют на следующие четыре кате­гории; углеродистые, легированные, штамповые и быстроре­жущие.

Стали и сплавы с особыми свойствами. К ним относятся стали, обладающие каким-нибудь резко выражен­ным свойством: нержавеющие, жаропрочные и теплоустойчивые, износоустойчивые, с особенностями теплового расширения, с особыми магнитными и электрическими свойствами и т. д

В ряде случаев эти стали содержат такое большое количество легирующих элементов, что их нужно причислять не к сплавам железа, т. е. не к сталям, а к сложным многокомпонентным сплавам.

Маркировка легированных сталей

Для обозначения марок стали разработана система, принятая в ГОСТах. Обозначения состоят из числа цифр и букв, указывающих на примерный состав стали.

Каждый легирующий элемент обозначается буквой: Н — никель; X — хром; К — кобальт; М — молибден; Г — марганец; Д — медь; Р — бор; Б — ниобий; Ц — цирконий; С — кремний; П — фосфор; Ч—редкоземельные металлы; В — вольфрам; Т — титан; А — азот; Ф — ванадий; Ю — алюминий.

Первые цифры в обозначении показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента (у высокоуглеродистых инстру­ментальных сталях в десятых долях процента). Цифры, идущие после буквы, указывают на примерное содержание данного легиру­ющего элемента (при содержании элемента менее 1 % цифра отсутствует; при содержании 1 % цифра 1 и 2 % — цифра 2 и т. д.).

1. Конструкционные стали. Требования, предъявляемые к конструкционным сталям. Улучшаемые стали. Требования к сталям. ТО, структура, свойства и примеры применения.

Конструкционная сталь, идущая на изготовление деталей ма­шин. Конструкционная сталь, как правило, у потребителя подвер­гается термической обработке. Поэтому конструкционные стали подразделяют на цементуемые (подвергаемые цементации) и улучшаемые (подвергаемые закалке и отпуску, практически не обязательно высокому).

Механические свойства стали зависят от её структуры и состава. Совместное воздействие термической обработки и легирования является эффективным способом повышения механических характеристик стали.

На механические характеристики стали влияют изменение содержания углерода, легирование, диспергирование структурных составляющих, измельчение зерна, наклёп. Упрочнение обычно ведёт к уменьшению вязкости и пластичности.

Простое увеличение углерода при феррито-перлитной структуре (нормализированное состояние) приводит к повышению прочности и порога хладноломкости. Максимальная прочность при такой структуре соответствует содержанию углерода примерно 1% С и достигает всего лишь 1000 МПа, тогда как порог хладноломкости лежит ниже 0ºС лишь при содержании углерода не более 0,4 %.

Предельное содержание углерода в термически не упрочнённой стали с ферритоперлитной структурой составляет 0,4%.

Если предъявить требование свариваемости, то содержание углерода должно быть снижено до 0,2% (во избежание образования трещин в сварном шве и его охрупчивания), прочность ( ) при этом снизится до 350 МПа.

Повышение в результате двойной термической обработки – закалки и высокого отпуска – заставляет считать правильным название этого вида термической операции – улучшением (точнее термическим улучшением).

Высокий комплекс механических свойств свойствен продуктам отпуска мартенсита (или бейнита, поскольку нет принципиальных различий между бейнитным и изотермическим мартенситным первращением), поэтому необходимо при закалке добиваться сквозной прокаливаемости.

В зависимости от условий эксплуатации (ответственности деталей) легированные стали применяются после простейшего вида термической обработки (нормализации) или двойной термической обработки (закалки+отпуск). В зависимости от марки стали (содержание углерода, легирующих элементов) и режима термической обработки (условий закалочного охлаждения, температуры отпуска) могут быть получены разные уровни прочности, отличающиеся приблизительно в два раза.