Свидунович_Материаловедение_для ХТОМ

жащего 50 ат. % алюминия.

Врезультате принудительной циркуляции или естественной конвекции

вмуфеле установки обогащенная дихлоридом алюминия газовая среда, вступая в контакт с насыщаемой поверхностью, стремится изменить свой состав в сторону уменьшения парциального давления AICI2, т.е. становится возможной реакция диспропорционирования с образованием AICI3 и выделением алюминия на насыщаемой поверхности.

Таким же образом изменяется парциальное давление монохлорида алюминия, однако при расчетной температуре 900 ° С его давление мало, поэтому А1С1 в этих условиях практически не участвует в переносе алюминия.

Диффузионное насыщение циркуляционным методом можно проводить в изотермических условиях и при заданном температурном перепаде между зонами расположения деталей и диффундирующего элемента.

Рис. 7.12. Влияние скорости газового

потока vГ и температуры на приращение массы ∆m при али-тировании никеля в йодидной среде циркуляционным методом в

течение 3 ч при суммарном давлении 4104 Па:

1 - 1 0 0 0 ° С; 2- 1 0 5 0 ° С; 3- 1 1 0 0 ° С

Для получения равномерных покрытий на деталях в муфеле циркуляционной установки поддерживается реверсируемое движение газовой среды.

Исследованиями установлено, что максимальная толщина диффузионного слоя получается при критической скорости газового потока, соответствующей переходу ламинарного течения в турбулентное (рис. 7.12).

Циркуляционный метод позволяет получать качественные диффузионные многокомпонентные покрытия в химически чистой газовой смеси, без балластных добавок и попутного насыщения другими элементами. Процесс можно вести в безводородной (взрывобезопасной) галогенидной среде без выхода этих газов в окружающую атмосферу.

Для поддержания незатухающего циркуляционного процесса диффузионного насыщения необходимо, чтобы рабочая газовая среда не вызывала обменных реакций с насыщаемым сплавом, затрудняющих восстановление газа-переносчика.

О возможности предполагаемых обменных реакций можно судить по расчетам ∆G T, для температуры диффузионного насыщения. Реакция считается возможной при отрицательной ∆G T-

В табл. 7.4 представлены расчетные варианты циркуляционного метода

диффузионного насыщения, многие из которых реализованы на практике.

Многокомпонентные диффузионные покрытия циркуляционным методом можно получать либо последовательно, либо путем выравнивания активностей исходных материалов. Например, для одновременного насыщения поверхности детали алюминием и кремнием или алюминием и хромом в рабочую камеру установки следует загружать не чистый алюминий, а интерметаллиды FeAl или NiAl.

МГТУ им. Н.Э. Баумана была изобретена установка для получения покрытий из газовых сред циркуляционным методом с использованием тлеющего разряда. Экспериментальные исследования показали, что

сочетание циркуляционного метода химико-термической обработки с нагревом деталей в тлеющем разряде приводит к более совершенной технологии и повышению качества жаростойких покрытий, например силицидов на молибдене.

Диффузионные покрытия можно также получать в расплавленных жидких средах. Применяют жидкофазное алитирование в расплавах на основе алюминия. Для предотвращения разъедания поверхности деталей в алюминиевую ванну добавляют основной металл насыщаемой поверхности. Например, при алитировании сталей добавляют 3 - 4 % Fe. Однако жидкофазное алитирование не получило распространения в связи с налипанием алюминия на насыщаемую поверхность и другими недостатками.

Наиболее широко используется борирование сталей в расплавах буры с добавками восстановителей-карбидов бора и кремния (70 % Na2B4O7 + +30 %В4С или 70 % Na2B407 + 30 % SiC). Насыщение бором проводят при 850 - 1050 ° С в течение 2 - 10 ч. Электролизное борирование в расплавленной буре значительно ускоряет процесс диффузионного насыщения.

Катодом являются борируемые детали, анодом — графитовые электроды либо тигель из коррозионно-стойкого сплава. Плотность тока на катоде 0,08 - 0,25 А/см2. Электролизное борирование проводят при 880 — 980° С в течение 2 - 5 ч.

Алитированию, хромированию и силицированию подвергают сплавы на железной, никелевой и других основах. Эти диффузионные покрытия способны защищать детали от окисления при высоких температурах, так как на их поверхности в окислительной среде образуются плотные пленки из AI2O3, Cr2O3 и S1O2, препятствующие диффузии кислорода.

Хромирование среднеуглеродистых сталей (0,3 - 0,4 % С) приводит к повышению их поверхностной твердости и износостойкости, так как на поверхности образуется тонкий слой (0,025 - 0,030 мм) карбида (Сг, Fе)7Сз или (Cr,Fe)23C6 с твердостью 1200 - 1300 HV. Несмотря на низкую твердость (200 - 300 HV), силицированный слой хорошо сопротивляется износу после предварительной пропитки маслом при 170 — 200 ° С.

Высокой износостойкостью обладают диффузионные боридные покрытия. Износостойкость борированной стали 45 в условиях трения скольжения 4-6 раз выше износостойкости цементованных ив 1,5-3 раза нитроцементованных сталей.

Износостойкость двухфазных боридных слоев (FeB, Fe2B) в 1,5 - 2 раза выше износостойкости однофазных слoев (Fe2B), а в условиях абразивного изнашивания находится на уровне износостойкости хромированных сталей.

Диффузионными покрытиями можно значительно повысить коррозионную стойкость углеродистых сталей в разбавленных водных растворах неорганических кислот. Наибольшей стойкостью к действию 10 %-й HNO3 обладают хромотитанированные и хромоалитированные стали, несколько уступают им хромированные и хромотитаноалитированные стали. Борированные стали хорошо сопротивляются действию 10 %-й H2SO4 и 30 %-й НС1. Борированные и особенно хромосилицированные стали обладают

высокой коррозионной стойкостью в 40 %-й Н3РО4. Хромированные стали устойчивы к коррозии в 3 %-м водном растворе NaCl (морской воде), но лучшие результаты получены после цирконоалитирования и титаноалитирования сталей. Хромированные высокоуглеродистые стали обладают хорошей коррозионной стойкостью к действию даже 50 %-й СН3СООН.

Однако следует заметить, что все приведенные выше характеристики справедливы в том случае, когда диффузионные покрытия имеют оптимальную для соответствующей агрессивной среды структуру. Следовательно, подобным рекомендациям должно предшествовать исследование структуры покрытий и технологических режимов химико-термической обработки.

Некоторые оптимальные режимы обработки приведены в табл. 7.5.

Таблица 7.5. Рекомендуемые защитные покрытия

Обработанные по оптимальным режимам диффузионного насыщения углеродистые стали по кислотостойкости не уступают дорогим хромоникелевым аустенитным сталям.

Классификация конструкционных материалов

Перечень конструкционных материалов, применяемых в машино- и приборостроении, велик, и классифицировать их можно по разным признакам. Большинство из них, например, стали, чугуны, сплавы на основе меди и легких металлов, являются универсальными. Они обладают многочисленными достоинствами и используются в различных деталях и конструкциях.

Наряду с универсальными применяют конструкционные материалы определенного функционального назначения: жаропрочные, материалы с высокими упругими свойствами, износостойкие, коррозионно- и жаростойкие.

В соответствии с выбранным принципом классификации все конструкционные материалы подразделяют на следующие группы.

1.Материалы, обеспечивающие жесткость, статическую и циклическую прочность (стали).

2.Материалы с особыми технологическими свойствами.

3.Износостойкие материалы.

4.Материалы с высокими упругими свойствами.

5.Материалы с малой плотностью.

6.Материалы с высокой удельной прочностью.

7.Материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей

среды.

СТАЛИ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ ЖЕСТКОСТЬ, СТАТИЧЕСКУЮ И ЦИКЛИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ

Детали машин и приборов, передающих нагрузку, должны обладать жесткостью и прочностью, достаточными для ограничения упругой и пластической деформации, при гарантированной надежности и долговечности. Из многообразия материалов в наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют сплавы на основе железа — чугуны и особенно стали. Стали обладают высоким, наследуемым от железа, модулем упругости (Е = 210 ГПа).

Высокую жесткость стали сочетают с достаточной статической и циклической прочностью, значение которой можно регулировать в широком диапазоне изменением концентрации углерода, легирующих элементов и технологии термической и химико-термической обработки.

Кроме комплекса этих важных для работоспособности деталей свойств стали могут обладать и рядом других ценных качеств, делающих их универсальным материалом. При соответствующем легировании и технологии термической обработки сталь становится либо износостойкой, либо коррозионно-стойкой, либо жаростойкой и жаропрочной, а также приобретает особые магнитные, тепловые или упругие свойства. Сталям свойственны также хорошие технологические свойства. К тому же они сравнительно недороги.

Благодаря этим достоинствам стали — основной металлический материал промышленности. Разработано около 2000 марок сталей и сплавов на основе железа.

Классификация конструкционных сталей

Стали классифицируют по химическому составу, качеству, степени раскисления, структуре, прочности и назначению.

По химическому составу стали классифицируют на углеродистые и легированные. В зависимости от концентрации углерода те и другие подразделяют на низкоуглеродистые (< 0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3 -0,7 % С) и высокоуглеродистые (> 0, 7 % С). Легированные стали в зависимости от введенных элементов подразделяют на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, марганцевые и многие другие. По количеству введенных элементов их разделяют на низко-, средне- и высоколегированные. В низколегированных сталях количество легирующих элементов не превышает 5 %, в среднелегированных содержится от 5 до 10 %, в высоколегированных

— более 10 %.

По качеству стали классифицируют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные.

Под качеством стали понимают совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей — серы и фосфора. Газы являются скрытыми, количественно

трудно определяемыми примесями, поэтому нормы содержания вредных примесей служат основными показателями для разделения сталей по качеству. Стали обыкновенного качества содержат до 0,050 % S и 0,040 % Р, качественные — не более 0,04 % S и 0,035 % Р, высококачественные — не более 0,025 % S и 0,025 % Р, особо высококачественные — не более 0,015 %

S и 0,025 % Р.

По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие.

Раскисление — процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.

Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только марганцем. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании, частично взаимодействуя с углеродом, удаляется в виде СО. Выделение пузырей СО создает впечатление кипения стали, с чем и связано ее название. Кипящие стали дешевы, их производят низкоуглеродистыми и практически без кремния (Si< 0,07%), но с повышенным количеством газообразных примесей.

Полу спокойные стали по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.

При классификации стали по структуре учитывают особенности ее строения в отожженном и нормализованном состояниях. По структуре в отожженном (равновесном) состоянии конструкционные стали разделяют на четыре класса: доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный

феррит; эвтектоидные, структура которых состоит из перлита; аустенитные и ферритные.

Углеродистые стали могут быть первых двух классов, легированные — всех классов. Стали аустенитного класса образуются при введении большого количества (правее точки 6, см. рис. 4.19) элементов Ni, Мп, расширяющих 7- область; стали ферритного класса — при введении элементов Cr, Si, V, W и др., расширяющих α-область (см. рис. 4.20).

По структуре после нормализации стали подразделяют на следующие основные классы: перлитный, мартенситный, аустенитный, ферритный.

Стали перлитного класса имеют невысокую устойчивость переохлажденного аустенита (рис. 9.1, а). При охлаждении на воздухе они приобретают структуру перлита, сорбита или троостита, в которой могут присутствовать также избыточные феррит или карбиды. К этому классу относятся углеродистые и низколегированные стали. Это большая группа дешевых, широко применяемых сталей.

Стали мартенситного класса отличаются высокой устойчивостью переохлажденного аустенита (рис. 9.1,6); при охлаждении на воздухе они закаливаются на мартенсит. К этому классу относятся среднеили высоколегированные стали.

Стали аустенитного класса из-за повышенного количества никеля или марганца (обычно в сочетании с хромом) имеют интервал мартенситного превращения ниже 0° С и сохраняют аустенит при 20 — 25 ° С (рис. 9.1, в). Распад аустенита в перлитной и промежуточной областях отсутствует.

Структурный класс аустенитных и ферритных сталей совпадает по классификации как в отожженном, так и нормализованном состояниях.

По прочности, оцениваемой временным сопротивлением, конструкционные стали с некоторой условностью можно разделить на стали нормальной (средней) прочности (σв < 1000 МПа), повышенной прочности (σв < 1500 МПа) и высокопрочные (σв > 1500 МПа).

АБ

Рис. 9.1. Схемы изотермического распада аустенита сталей перлитного (а), мартенситного (б)

и аустенитного (в) классов

Влияние углерода и постоянных примесей на свойства сталей

Стали — сложные по составу железо-углеродистые сплавы. Кроме железа и углерода — основных компонентов, а также возможных легирующих элементов стали содержат некоторое количество постоянных и случайных примесей, влияющих на их свойства.

Углерод, концентрация которого в конструкционных сталях достигает 0,8%, оказывает определяющее влияние на их свойства. Степень его влияния зависит от структурного состояния стали, ее термической обработки.

Рис. 9.2. Влияние углерода на механические свойства горячекатаных сталей

Углерод изменяет технологические свойства стали. При увеличении его содержания снижается способность сталей деформироваться в горячем и особенно в холодном состояниях, затрудняется свариваемость.

Сера — вредная примесь, вызывающая красноломкость стали —

хрупкость при горячей обработке давлением. В стали она находится в виде сульфидов. Красноломкость связана с наличием сульфидов FeS, которые образуют с железом эвтектику, отличающуюся низкой температурой плавления (988 ° С) и располагающуюся по границам зерен. При горячей деформации границы зерен оплавляются, и сталь хрупко разрушается

Положительное влияние серы проявляется лишь в улучшении обрабатываемости резанием.

Фосфор — вредная примесь. Он растворяется в феррите, упрочняет его, но вызывает хладноломкость — снижение вязкости по мере понижения температуры.

Кислород, азот и водород — вредные скрытые примеси. Их влияние наиболее сильно проявляется в снижении пластичности и повышении склонности стали к хрупкому разрушению.

Случайные примеси — элементы, попадающие в сталь из вторичного сырья или руд отдельных месторождений. Из скрапа в стали попадает сурьма, олово и ряд других цветных металлов. Случайные примеси в большинстве случаев оказывают отрицательное влияние на вязкость и пластичность сталей.

Углеродистые стали На долю углеродистых сталей приходится 80 % от общего объема. Это

объясняется тем, что углеродистые стали дешевы и сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением. При одинаковом содержании углерода по обрабатываемости резанием и давлением они значительно превосходят легированные стали. 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 12 мм), что существенно ограничивает размер деталей, упрочняемых термической обработкой. Крупные детали изготовляют из сталей без термического упрочнения — в горячекатаном или нормализованном состояниях, что требует увеличения металлоемкости конструкций.

По статической прочности углеродистые стали относятся преимущественно к сталям нормальной прочности. Углеродистые конструкционные стали выпускают двух видов: обыкновенного качества и качественные.

Углеродистые стали обыкновенного качества

В углеродистых сталях обыкновенного качества допускается повышенное содержание вредных примесей, а также газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями, так как их выплавляют по нормам массовой технологии. Эти стали преимущественно используют в строительстве как наиболее дешевые, технологичные и обладающие