41 Азотирование. Сущность процесса, получаемые свойства, назначение.

Азотирование – насыщение азотом поверхностного слоя металла. Цель азотирования – увеличение поверхностной твердости деталей, повышение предела усталости, повышение коррозионной стойкости. Азотированию подвергают детали из сталей, содержащих Al, Cr, Mo. азотирование проводят после окончательной упрочняющей термообработки: закалки с высоким отпуском (улучшения) с получением сорбитной структуры.

Азотирование проводят в специальных герметичных электропечах при температуре 500-580С, чаще всего с подачей в печь аммиака, который диссоциирует по реакции: 2NH₃ → 3Н₂ + 2N_атГлубина азотированного слоя составляет 0,1-0,5 мм; бóльшая глубина не рекомендуется, так как в этом случае образуется более толстый нитридный слой, вызывающий повышенную хрупкость. Азотированный слой устойчив до 500-600˚С (цементация – до 200˚С).

Азотирование применяют для гильз цилиндров, распредвалов, точных шестерен, пружин, прессформ, шиберов задвижек и других деталей, требующих сочетания высокой износостойкости и устойчивости против коррозии. Сущность процесса ионного азотирования, его отличия от газового азотирования. Для активизации процессов в газовой среде и на насыщаемой поверхности применяют ионное азотирование (азотирование в тлеющем разряде). При этом достигается значительное сокращение общего времени процесса (в 2-3 раза) и повышение качества азотированного слоя. Процесс ионного азотирования ведут в стальном контейнере, кото-рый является анодом. Катодом служат азотируемые детали. Через контейнер при низком давлении пропускается азотсодержащая газовая среда (аммиак, азот и др.). Азотирование ведется в две стадии. Вначале азотируемая поверхность очищается катодным распылением в разреженном азотсодержащем газе.

42 Нитроцементация. Сущность процесса, получаемые свойства, назначение. Нитроцементация – процесс совместного насыщения поверхности стальных деталей азотом и углеродом. Исследования показали, что совместное диффузионное насыщение стали азотом и углеродом позволяет получать определенные преимущества. Например, азот способствует диффузии углерода, поэтому можно понизить температуру диффузионного насыщения до 850-870˚С и получить примерно такое же науглероживание, как при цементации. Проводится нитроцементация или в смеси природного газа и аммиака, или путем введения в печь триэтаноламина (С₂Н₅О)₃N в виде капель. Процесс находит широкое применение, потому что обеспечивает получение слоя, близкого по свойствам к цементованному, а более низкая температура его проведения по сравнению с цементацией не вызы-вает сильного роста зерна и коробления, как при цементации; кроме этого, совместная диффузия азота и углерода происходит быстрее, чем диффузия этих элементов в отдельности. Продолжительность нитроцементации 3-10 часов, глубина слоя 0,6-0,8 мм. Упрочняющая термообработка проводится после нитроцементации и состоит из закалки и низкого отпуска на твердость 59-62 HRC. Отсутствие сильного роста зерна позволяет в ряде случаев проводить закалку сразу после нитро-цементации после некоторого подстуживания. Нитроцементации подвергают детали сложной конфигурации, скло-нные к короблению, например, шестерни и зубчатые колеса сложного профиля. Совместное насыщение углеродом и азотом можно проводить так-же в расплавах цианистых солей (такой процесс называют цианирова-нием). Насыщение при этом происходит быстрее, но из-за высокой стоимости и ядовитости цианистых солей этот процесс применяется все реже и реже.

43 Фазовые и структурные превращения и упрочняющая термообработка алюминиевых сплавов системы Al – Cu. Участок диаграммы состояния системы Al-Cu с содержанием меди от 0 до 7%. Выделенная область это- го участка (от 1,4 до 4,9%Cu) со ответствует содержанию меди в большинстве промышленных алюминиевых сплавов. В некоторых сплавах, легированных, кроме меди, магнием, марганцем, кремнием и другими элементами, содержание ее может быть от 0,1 до 7%. В твердом состоянии медь с алюминием образуют твердый раствор, концентрация меди в котором 5,65% при эвтектической температуре. С понижением температуры растворимость меди уменьшается, достигая 0,1% при 20˚С. При этом из твердого раствора выделяется соединение CuAl₂, содержащее ~54,1%Cu, обладающее довольно высокой твердостью (HV531). 82 Композиционные материалы: общая характеристика, классификация, свойства, применение. Композиционные материалы по удельной прочности и жесткости, прочности при высокой температуре, сопротивлению усталостному разрушению и другим свойствам значительно превосходят все известные конструкционные сплавы. Достаточно сказать, что композиционный материал «алюминиевый сплав – борные волокна» имеет предел прочности, равный 1750 МПа, что ставит его в один ряд с высокопрочными титановыми сплавами при значительно меньшей плотности, а композиционный материал на никелевой основе с вольфрамовой проволокой в качестве наполнителя обеспечивает прочность 250 МПа при 1100⁰С в течение 100 часов, тогда как лучший неармированный никелевый сплав, предназначенный для работы в аналогичных условиях, имеет прочность лишь 75 МПа. Композиционными называют сложные материалы, в состав которых входят сильно отличающиеся по свойствам нерастворимые или мало-растворимые друг в друге компоненты, разделенные ярко выраженной границей. Основой композиционных материалов (матрицей) служат металлы или сплавы, а также полимеры, углеродные и керамические материалы. Матрица связывает композицию, придает ей форму. От свойств матрицы в значительной степени зависят технологические режимы получения композиционных материалов и такие важные эксплуатационные характеристики, как рабочая температура, сопротивление усталостному разрушению, воздействию окружающей среды, плотность и удельная прочность. В матрице равномерно распределены остальные компоненты (наполнители или, как их часто называют, упрочнители). Они должны об-адать высокими прочностью, твердостью и модулем упругости. По этим свойствам они значительно превосходят матрицу. С увеличением модуля упругости и временного сопротивления наполнителя повышаются соответствующие свойства композиционного материала, но они не достигают уровня характеристик наполнителя. По форме наполнителя композиционные материалы разделяют на дисперсно-упрочненные и волокнистые. Дисперсно-упрочненными называют композиционные материалы, упрочненные наполнителями в виде компактных частиц. К волокнистым относят композиционные материалы, упрочненные наполнителями в виде волокон или проволоки, а иногда – в виде пластин (например, фольги, ткани). По схеме армирования композиционные материалы подразделяют на три группы: с одноосным, двухосным и трехосным армированием. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы. В дисперсно-упрочненных композиционных материалах наполнителями служат дисперсные частицы тугоплавких фаз – оксидов, нитридов, боридов, карбидов (Al₂O₃, SiO₂, BN, SiC и др.), а матрицей – металлы или сплавы. К достоинствам тугоплавких соединений относятся высокие значения модуля упругости, низкая плотность, пассивность к взаимодействию с материалами матриц, а таких, как оксиды алюминия и кремния – большая распространенность в природе и невысокая стоимость образующих их элементов. Дисперсно-упрочненные материалы в основном получают метода-ми порошковой металлургии, но существуют и другие методы, например, непосредственное введение наполнителей в жидкий металл перед разливкой.

Al-Si Чем больше Si тем мат. хрупче ,1,65- растворение Si. Mg2Si-упрочняющая фаза. Растворимость кремния в алюминии при эвтектической температуре достигает 1,65%, а при комнатной равна почти нулю (0,09% при 300˚С). Эвтектика содержит 11,7% Si и состоит из смеси включений α-раствора и кремния

44 Cu-Be 750˚C нагрев. 2,7- растворение происходит, раствор замещения. При нагреве до 760-800^оС образуется однородный твердый раствор с содержанием ~2% Be. Быстрое охлаждение в воде фиксирует пере-сыщенный твердый раствор, при последующем нагревании которого избыточное содержание Ве выделяется в виде дисперсных частиц γ-фазы (CuBe), упрочняющих сплав

84 Принципы выбора материалов для деталей машин и элементов конструкций.

При выборе материала для деталей машин и элементов конструкций необходимо учитывать его технические, технологические и экономические характеристики. Первые оценивают техническую пригодность материала, вторые – условия его обработки при изготовлении конструкции и третьи – стоимость как самого материала, так и его обработки. Технические характеристики – это прежде всего механические, физические и химические характеристики.

Механические характеристики в сочетании с критериями надежности и долговечности определяют конструкционную прочность материалов.

Критерием прочности деталей, испытывающих длительные циклические нагрузки, является предел выносливости По величине выбранных критериев прочности рассчитывают допустимые рабочие напряжения. Для ограничения упругой деформации материал должен обладать высоким модулем упругости (или сдвига), являющимся критерием его жесткости. Именно критерии жесткости, а не прочности, обусловливают размеры станин станков, корпусов редукторов и других деталей, от которых требуется сохранение точных размеров и формы. Для пружин, мембран и др. чувствительных упругих элементов, наоборот, важно обеспечить большие упругие перемещения. Поэтому от материала требуются высокий предел упругости и низкий модуль упругости.

Для материалов, используемых в авиационной и ракетной технике, важное значение имеют такие характеристики, как удельная прочность

Надежность – способность материала противостоять хрупкому разрушению. В простых случаях она оценивается по характеристикам ударной вязкости и пластичности (KCU, δ, ψ). Долговечность – способность материала сопротивляться развитию постепенного разрушения, обеспечивая работоспособность детали в течение заданного времени. Химические и физико-химические характеристики материалов оценивают их взаимодействие с окружающими жидкими и газообразными средами. Характеристиками стойкости материалов в различных средах служат потеря веса на единицу площади поверхности материала в единицу времени, изменение механических свойств после пребывания в активной среде в течение заданного времени и температура, выше или ниже которой материал перестает быть стойким в окружающей его среде. Технологическими характеристиками оценивают возможность применения различных видов обработки. Литейные характеристики металлов оценивают возможность и сложность получения отливок и включают температуры плавления, начала и конца кристаллизации, жидкотекучесть – длину затекания в узкий канал специальной формы, усадку, склонность к образованию усадочной раковины, склонность к окислению жидкого металла и др. Обрабатываемость металла давлением в горячем и холодном состоянии оценивают разнообразными технологическими пробами (на осадку, на загиб, на вытяжку сферической лунки), характеристиками пластичности, упрочнения и твердости металла при температуре обработки. Свариваемость металлов оценивают пробами на свариваемость, например, пробной наплавкой валика с определением качества металла в валике и прилегающих зонах. Существует еще целый ряд стандартизованных технологических проб для проверки других видов обработки металлов. Таким образом, последовательность действий при выборе материала можно представить следующим образом. Прежде всего необходимо знать условия работы детали или элемента конструкции: вид действующих нагрузок (растяжение, изгиб, кручение, срез и др.), характер их приложения (однократные, циклические, знакопеременные и т.д.), скорость приложения (статические, динамические), рабочая среда, температура, а также назначение детали (жесткая конструкция, упругий элемент, проводник тока, магнитопровод и др.). Следующий этап – определение критериев выбора материала. В большинстве случаев главными критериями, обеспечивающими работу в заданных условиях, являются технические характеристики. Затем по каждому критерию расчетным или эмпирическим способом устанавливают минимально или максимально допустимую его величину. После этого, пользуясь нормативно-технической документацией на материалы и справочными пособиями, выбирают все материалы, отвечающие поставленным требованиям.

Оптимальным материалом будет считаться наиболее технологичный и дешевый из них.

45 Машиностроительные стали и сплавы. Классификация по химическому составу, качеству, прочности, назначению и др.По химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легированные.Углеродистые стали – двойные сплавы (Fe-C), в которых другие элементы присутствуют в небольшом количестве в виде неизбежных примесей (Mn, Si, S, P и некоторые другие): - низкоуглеродистые (малоуглеродистые) - до 0,30%С; - среднеуглеродистые - 0,3-0,7%С; - высокоуглеродистые - более 0,7%С. Легированные стали - стали, содержащие специально введенные элементы для придания требуемых свойств: - низколегированные (суммарное содержание легирующих элементов - до2,5%); - среднелегированные (от 2,5 до 10%); - высоколегированные - (более 10%). По назначению стали классифицируют следующим образом. Конструкционные стали - для изготовления деталей машин, приборов и элементов конструкций (улучшаемые, цементируемые, азотируемые, шарикоподшипниковые, рессорно-пружинные, автоматные и др.) Инструментальные стали - для режущего, измерительного и штампового инструмента. Стали специального назначения (стали с особыми свойствами) - нержавеющие, жаростойкие, жаропрочные, износостойкие, магнитные, с высоким электросопротивлением, с особыми упругими свойствами, с заданным коэффициентом линейного расширения и др. По качеству (по содержанию вредных примесей) различают стали:

- обыкновенного качества: Р≤0,045%; S≤0,055%.

- качественные: P≤0,035%; S≤0,040%.

- высококачественные: P≤0,025%; S≤0,025%.

- особо высококачественные: P≤0,015%; S≤0,015%.

По степени раскисления стали могут быть спокойными, полуспо-койными и кипящими.

По прочности различают стали: нормальной (средней) прочности (σ_в до 1000 МПа); повышенной прочности (σ_в до 1500 МПа); высокопроч-ные (σ_в более 1500 МПа).

46 Маркировка сталей. Конструкционные углеродистые стали Углеродистые стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-94) маркируют условными номерами с добавлением букв, обозначающих степень раскисления (сп – спокойная, пс – полуспокойная, кп – кипящая): Ст3сп (пс,кп). Качественные углеродистые стали (ГОСТ 1050-88, 4543-71) маркируют цифрами, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента: 08, 10, 15, 45. Кипящие и полуспокойные стали обозначают буквами кп и пс; обозначение спокойной стали (сп) не ставится. При повышенном до 1,2% содержании марганца к обозначению марки добавляется буква Г: 60Г, 65Г. Легированные конструкционные стали Легированные конструкционные стали маркируют цифрами и бук- вами, например, 12ХН3А, 30ХГСА, 40ХН, 09Г2С. Двузначные цифры, приводимые в начале марки, указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента; буквы справа от цифры обозначают легирую-щий элемент: Х – хром, Н – никель, Г – марганец, С – кремний, М – молибден, В – вольфрам, Т – титан, Ф – ванадий, Ю – алюминий, Д – медь, Б – ниобий, Р – бор, К – кобальт, Ц – цирконий (кальций), Е – селен, Ч – редкоземельный элемент. Буква А в конце обозначения марки – высококачественная сталь ( 0,025%Р и 0,025%S), в начале – автоматная сталь, в середине – азот. Цифры после букв указывают примерное содержание легирующего элемента в целых процентах; отсутствие цифры указывает, что содержание элемента ~1% или менее. Шарико-подшипниковую сталь обозначают буквой Ш в начале марки, а следующие за ней буквы и цифры обозначают легирующие элементы и их со-держание в десятых долях процента: ШХ9, ШХ15. Буквы, добавляемые после обозначения марки через дефис (например, 20Х13-Ш) обозначают способ рафинирования стали: -СШ – рафинирование жидким синтетическим шлаком; -ЭШП или -Ш – электрошла-ковый переплав; -ВИ – выплавка в вакуумных индукционных печах; -ВДП или -ВД – вакуумно-дуговой переплав. Буквы ЭИ, ЭП, ДИ и др. применяются для сталей, находящихся в стадии отработки, и обозначают предприятие-изготовитель («Электросталь», «Днепроспецсталь»). Расшифровываются, как «электросталь исследуемая», «электросталь пробная», «днепроспецсталь исследуемая». У сталей для отливок к обозначению марки в конце добавляется буква Л: например, 45Л, 35ХМЛ.

47 Влияние углерода и постоянных примесей на свойства углеродистых сталей. В составе реальной углеродистой стали кроме железа и углерода содержится ряд постоянных примесей (кремний, марга-нец, сера, фосфор, кислород, водород, азот и др.), которые оказывают большое влияние свойства. Присутствие этих примесей объясняется трудностью их удаления при выплавке (Р,S) или переходом их в сталь при раскислении (Si, Mn). Газы неизбежно попадают в сталь в процессе плавки. Кроме этих постоянных примесей в стали могут присутствовать случайные примеси (Cr, Ni – из металлического лома, As, Cu и др. – из руды). Рассмотрим влияние углерода на свойства стали в равновесном состоянии (после медленного охлаждения). Структура такой стали состоит из двух основных фаз – феррита и цементита. В доэвтектоидной стали феррит находится в виде самостоятельной структурной составляющей (в виде зерен) и в составе перлита (в пластинчатом перлите в виде пластинок, в зернистом – в виде матрицы). Цементит в перлите имеет вид дисперсных частиц пластинчатой или округлой формы. В завтектоидной стали феррит находится в составе перлита, а цементит –как в составе перлита, так и в виде самостоятельной структурной составляющей – в виде сетки или глобулей. Таким образом, количество цементита увеличивается с повышением содержания углерода в стали. А так как цементит представляет собой твердую (НВ800) и хрупкую структурную составляющую, то увеличение его количества повышает твердость и предел прочности и уменьшает пластические характеристики (δ и ψ) и вязкость стали. При содержании в стали 1…1,2%С прочность ее начинает падать, хотя твердость продолжает возрастать. Это объясняется влиянием свободного цементита, выделяющегося при медленном охлаждении в виде сетки по границам зерен. Влияние углерода еще более значительно при неравновесной структуре стали. Прочность возрастает по мере увеличения содержания углерода и достигает максимума при 0,4%С, после чего становится нестабильной из-за хрупкого разрушения стали.Содержание кремния в углеродистой стали ограничивается величиной 0,4%,а марганец содержится в пределах 0,3-0,8%. Оба они вызывают полезное влияние, являясь раскислителями. Марганец при содержании в этих пределах повышает прочность стали, не снижая пластичности, уменьшает вредное влияние серы и кислорода. Кремний тоже повышает прочностные характеристики и в первую очередь – предел текучести, поэтому в сталях, предназначенных для холодной вытяжки, его количество ограничивают. Сера является вредной примесью, содержание ее сильно ограничивают: у рядовых сталей ее должно быть не более 0,06%, а у высококачественных – не более 0,025%. Сера образует с железом химическое соединение FeS, которое при кристаллизации выделяется в виде легкоплавкой эвтектики Fe – FeS (t_пл=988˚С) по границам зерен. При горячей обработке давлением или других операциях, связанных с нагревом выше этой температуры, эвтектика расплавляется, и связь между зернами утрачивается. Это явление называют красноломкостью. Вредное действие серы нейтрализуется присутствием марганца, который связывает ее в тугоплавкое соединение MnS. Но при большом количестве включения MnS снижают пластичность и вязкость стали. Фосфор вредная примесь, сильно снижает пластичность и вязкость, и допускается в сталях обыкновенного качества до 0,08%, а в высококачественных - не более 0,025%. Газы (кислород, азот, водород) находятся в стали частично в растворенном состоянии и в виде хрупких неметаллических включений – оксидов, нитридов. Водород в стали находится в растворенном состояниии и охрупчивает ее.

48 Конструкционные углеродистые стали. Марки и области применения. Углеродистые стали дешевы и сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью давлением. Однако углеродистые стали менее технологичны при термической обработке. Из-за высокой критической скорости закалки углеродистые стали охлаждают в воде, что вызывает значительные деформации и коробление деталей. Кроме того, для получения одинаковой прочности с легированными сталями их следует подвергать отпуску при более низкой температуре, поэтому они сохраняют более высокие закалочные напряжения, снижающие конструкционную прочность. Главный недостаток углеродистых сталей – небольшая прокаливаемость (до 10-15 мм), ограничивает размер деталей, упрочняемых термической обработкой. Крупные детали изготовляют из сталей без термического упрочнения –увеличения металлоемкости конструкций. Наиболее широкое применение в качестве конструкционных находят качественные углеродистые стали. Стали 15, 20, 25 – цементуемые, предназначены для деталей не-большого размера (кулачки, толкатели, малонагруженные шестерни ), от которых требуется твердая, износостойкая поверхность и вязкая сердцевина. Поверхностный слой после цементации упрочняют закалкой в воде в сочетании с низким отпуском. Сердцевина из-за низкой прокаливаемости остается неупрочненной. Для изготовления более крупных деталей используют стали 40, 45, 50 после нормализации и поверхностной закал-ки тех мест, которые должны иметь высокую твердость поверхности (40-58 HRC): шейки коленчатых валов, зубья шестерен. Стали с высоким содержанием углерода (60, 65 … 80, 85), а также с увеличенным содержанием Mn (60Г, 65Г, 70Г) применяют преимущественно в качестве рессорно-пружинных. Их подвергают закалке и среднему отпуску на структуру троостита для получения высоких упругих и прочностных свойств (σ_в800 МПа) и используют для силовых упругих элементов – плоских и круглых пружин, рессор, упругих колец и др. деталей пружинного типа.

49 Влияние легирующих элементов на свойства конструкционных легированных сталей. Положительное влияние большинства легирующих элементов сказывается при небольших добавках (до нескольких процентов). Поэтому для каждого элемента существует предел, при превышении которого те или иные свойства ухудшаются. Марганец до 0,8% неизбежно присутствует как раскислитель. Увеличивает прокаливаемость, упрочняет феррит, но способствует росту зерна, развитию отпускной хрупкости. В конструкционных сталях его количество ограничивают 1,5 процентами. Так добавка в углеродистую сталь 13% хрома (20Х13) или 10% никеля и 18% хрома (12Х18Н10Т) делает ее нержавеющей; введение 13% марганца придает стали высокую износостойкость (110Г13Л); одновременное легирование хромом и кобальтом (ЕХ5К5) резко повышает коэрцитивную силу и остаточную индукцию, что позволяет использовать такие стали для постоянных магнитов; введение хрома и кремния (40Х9С2) придает стали жаропрочность и т.д. Перечисленные изменения структуры и физико-механических свойств сказываются и на технологических и эксплуатационных свойствах. Влияние на технологические свойства проявляется в улучшении прокаливаемости, ухудшении деформируемости в горячем состоянии, свариваемости, ухудшении обрабатываемости резанием и др. Легирование направленно улучшает конкретные эксплуатационные свойства, придавая сталям в одних случаях повышенную прочность, в других – упругость, в третьих – износостойкость и т.д. Повышение какого-то одного свойства нередко приводит к ухудшению других эксплуатационных или технологических свойств, например, особо износостойкая сталь 110Г13Л практически не поддается обработке резанием, и детали из нее изготовляются только методом литья без последующей механической обработки.