 |
Металлизация . - сужающие γ – область - хром, ванадий, вольфрам, молибден, кремний, титан - и сталь вплоть до температур плавления остается ферритной.
|
|
|
|
Металлизация
Алитирование – насыщение поверхностного слоя алюминием - для повышения жаростойкости.
Хромирование - насыщение хромом. Цель – получение высокой твердости, жаростойкости, коррозионной стойкости поверхности.
Борирование – насыщение бором. Борированные слои имеют очень высокую твердость (НV 2000), но очень хрупки.
Металлизация - процесс очень дорогостоящий, осуществляется при очень высоких температурах(1000-1200о С), в течение длительного времени (растворы замещения, а не внедрения, как при цементации)
Поверхностное упрочнение пластическим деформированием основано на способности стали к наклёпу при пластической деформации. Наиболее распространёнными способами такого упрочнения поверхности является дробеструйная обработка и обработка поверхности роликами или шариками.
При дробеструйной обработке на поверхность детали из специальных дробемётов направляется поток стальной или чугунной дроби малого диаметра (0, 5–1, 5 мм). Удары концентрируются на весьма малых поверхностях, поэтому возникают очень большие местные давления. В результате повышается твёрдость и износостойкость обработанной поверхности. Кроме того, сглаживаются мелкие поверхностные дефекты. Глубина упрочненного слоя при дробеструйной обработке составляет около 0, 7 мм.
Обкатка роликами производится с помощью специальных приспособлений на токарных станках. Помимо упрочнения, обкатка снижает шероховатость обрабатываемой поверхности. Глубина упрочнённого слоя доходит до 15 мм.
МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ
|
|
|
Легированные имеют ряд преимуществ перед углеродистыми. Они имеют более высокие механические свойства, прежде всего, прочность. Легированные стали обеспечивают большую прокаливаемость, а также возможность получения структуры мартенсита при закалке в масле, что уменьшает опасность появления трещин и коробления деталей. С помощью легирования можно придать стали различные специальные свойства (коррозионную стойкость, жаростойкость, жаропрочность, износостойкость, магнитные и электрические свойства). Классификация:
1. По содержанию легирующих элементов – низколегированные (общее содержание л. э. до
2, 5 %. ), среднелегированные (2, 5-10%), высоколегированные (свыше 10 %).
2. По назначению: конструкционные, инструментальные, стали и сплавы с особыми свойствами(нержавеющие, жаростойкие, жаропрочные…)
3. По качеству: качественные, высококачественные, особовысококачественные. Отметим, что стали, обыкновенного качества могут быть только углеродистыми, т. е. легированные стали, как минимум, являются качественными.
Легирующие элементы по-разному влияют на свойства сталей:
- хром и кремний - ↑ твердость, прочность, жаростойкость, коррозионную стойкость ( при содержании в стали хрома более 12 %, сталь становится нержавеющей).
- никель и марганец - ↑ прочность, не снижая пластичности.
- вольфрам и молибден - ↓ величину зерна, улучшают режущие свойства стали.
Легирующие элементы влияют на положение точек диаграммы железо –цементит.
- различают л. э – никель, марганец, медь , расширяющие γ – область, т. е устойчивость аустенита увеличивается и стали вплоть до комнатной температуры могут иметь структуру аустенита- такие стали называют сталями аустенитного класса.
- сужающие γ – область - хром, ванадий, вольфрам, молибден, кремний, титан - и сталь вплоть до температур плавления остается ферритной.
|
|
|
Карбидообразующие л. э. – это Cr W V Mo Ti и др. – они могут растворяться в цементите (Fе Ме)3С или образовывать самостоятельные карбиды Cr 23С6, VС, TiС… Карбиды л. э. имеют более высокую твердость, чем карбид железаFе 3С.
ЦЕМЕНТУЕМЫЕ СТАЛИ
К этому типу относятся низко- и среднелегированные стали с содержанием углерода до
0, 25%, также углеродистые (до 0, 25% углерода).
Примеры: сталь15, 20, 25, 15Г, 20Г, 20Х, 15Х, 12ХН3А, 18ХГТ, 18Х2Н4МА…
После цементации и последующей закалки с низким отпуском достигается высокая поверхностная твердость и прочность при мягкой вязкой сердцевине.
Применяется для деталей работающих на износ(высокая твердость поверхности), испытывающих ударные и переменные нагрузки (вязкая сердцевина): кулачки, шестерни, поршневые кольца…
УЛУЧШАЕМЫЕ СТАЛИ
Это средне- и низколегированные стали с содержанием углерода 0, 3 – 0, 5 %, а также углеродистые с таким же интервалом по углероду. Их подвергают улучшению - закалка + высокий отпуск
(500-600оС, структура - сорбит). После такой обработки они обладают достаточной прочностью и высокой пластичностью и вязкостью ( лучший набор свойств). Применяют для деталей, работаюших в сложных напряженных условиях ( противостоят переменным и ударным нагрузкам).
Примеры: сталь 35, 40, 45, 40Х, 40ХН, 30ХГСА, 40ХН2МА…
ВЫСОКОПРОЧНЫЕ СТАЛИ
Высокопрочными называют стали, имеющие предел прочности более 1500МПа (150кгс/мм2).
Применяются в машино-, ракето-, самолетостроении. Такой высокий уровень прочности можно получить:
1). В среднеуглеродистых легированных сталях, применяя закалку с низким отпуском. Примеры:
30ХГСН2А, 40ХГСН3ВА, 40ХН2МА…
2). А также высокая прочность может быть получена за счет термомеханической обработки. Это совмещение пластической деформации (например ковка) стали, нагретой до аустенитного состояния, с ее последующей закалкой и далее отпуск (при деформации в аустенитной области происходит измельчение аустенитного зерна и последующей закалкой фиксируется тонкоигольчатый мартенсит, что и дает выигрыш в характеристиках прочности).
|
|
|
3). Третий путь - это применение мартенсито-стареющих сталей.
Пример: 03Н18К9М5Т, 03Н12К15М10, 04Х11Н9М2Д2ТЮ…
Это высоколегированные безуглеродистые сплавы (углерода не более 0, 03%) сплавы железа с никелем (в пределах 8-25%), содержащие также кобальт, молибден, титан, алюминий, хром, медь.
При проведении закалки (охлаждение возможно на воздухе) фиксируется железоникелевый мартенсит, имеющий высокую пластичность (это объясняется тем, что это перенасыщенный твердый раствор замещения, а не внедрения, как в мартенсите углеродистых сталей). Прочность после закалки в районе 900-1100 МПа. После закалки проводят формообразующие операции – давлением, резанием (пластичность хорошая, а прочность не очень высокая). Упрочнение происходит при старении - это термообработка, заключающаяся в выдержке при температуре 480-520 оС, при старении происходит выделение из мартенсита мелкодисперсных интерметаллидных фаз (интер с латинского – «между», т. е. соединения металл- металл): NiAl, Ni3Ti, Fe2Mo, Ni3Mo. После старения прочность повышается до высоких значений - 2400МПа. Механизм упрочнения объясняется торможением дислокаций мелкими интерметаллидными частицами, выделившимися из пересыщенного твердого раствора.
РЕССОРНО-ПРУЖИННЫЕ СТАЛИ
Рессорно-пружинные стали предназначены для изготовления упругих элементов, пружин, рессор. Эти стали должны обладать: высоким пределом упругости и выносливостью (многократность нагружения) при достаточной пластичности и вязкости. (Вспомним: предел упругости- это напряжение, при котором относительное остаточное удлинение составляет очень малые значения (сотые, тысячные доли %); первое требование к пружинам – высокий предел упругости, т. к. пружины должны деформироваться упруго, пластическая (остаточная )деформация не допускается. ) Эти свойства достигаются после термообработки, заключающейся в закалке и последующем среднем отпуске.
В качестве рессорно-пружинных сталей применяют углеродистые стали с повышенным содержанием углерода 0, 5-0, 8%, а для ответственных деталей – легированные стали (углерод в тех же пределах). У легированных помимо лучших показателей прочности, прокаливаемости, выносливости (сопротивление усталости), увеличивается релаксационная стойкость (релаксация – ослабление). В процессе работы пружин часть упругой деформации переходит в пластическую (остаточную), поэтому пружины с течением времени теряют свои упругие свойства. Легированные стали, имея повышенную релаксационную стойкость, более надежны, следовательно применяют для более ответственных деталей.
|
|
|
Наружные дефекты на поверхности пружин являются концентраторами напряжений и могут стать причиной образования усталостных трещин. Поэтому поверхность пружин д. быть без загрязнений, плен,, микротрещин…
Примеры: сталь 60, 65, 70, 75, 80, 85, 60Г, 60С2ХА, 50ХФА, 60С2Н2А…
Свойства стали 60С2 после т/о (закалка с 870 оС в масло, отпуск - 470 оС ): 42-48 НRС, σ в (предел прочности) ~ 1300МПа, δ (относительное удлинение) ~ 6 %, φ (относительное сужение) ~ 25 %.
ШАРИКОПОДШИПНИКОВЫЕ СТАЛИ
Шарикоподшипниковые стали предназначены для изготовления колец, шариков, роликов подшипников. Сталь должна иметь высокие: твердость, износостойкость, сопротивляемость контактной усталости (контактная выносливость).
Этим требованиям удовлетворяют высокоуглеродистые (0, 95- 1, 15 % углерода) хромистые стали высокого качества, чистые по неметаллическим включениям и карбидной неоднородности.
Рис. 23 Вредное влияние неметаллических включений и карбидной неоднородности в шарикоподшипниковых сталях. Рисунок на доске.
У шарикоподшипниковых особая маркировка: ШХ4, ШХ15, ШХ15С2.
Ш- шарикоподшипниковая, Х – хромистая, цифра – содержание хрома в десятых долях процента (сравни: в обычной маркировке легированных, цифры после букв - процент легирующего элемента в целых процентах )
ШХ4 - шарикоподшипниковая хромистая сталь, содержание углерода ~ 1% (в маркировке % углерода не обозначен, но мы их обозначили как высокоуглеродистые ), хрома ~0, 4 %;
ШХ15 - углерод ~ 1 %, хрома ~ 1, 5 %.
Термообработка - закалка + низкий отпуск – дает структуру Мотп (мартенсит отпуска) с высокой твердостью 62-65 НRС, следовательно и износостойкость высокая.
Для наглядности, выстроим все конструкционные, а также инструментальные стали в один ряд (шкала по углероду). В таком виде все легко запоминается, что дает большой объем знаний (и хорошую оценку на экзамене).
Пример: расшифруйте химический состав стали 60С2Н2А, определите класс стали по назначению и назначьте режим термообработки.
|
|
|
Сталь 60С2Н2А – легированная, высококачественная сталь, содержащая ~ 0, 6 % углерода, ~ 2% кремния, ~ 2% никеля. Воспользовавшись шкалой, видим, что это рессорно-пружинная сталь (0, 6 лежит в интервале 0, 5 – 0, 8). Термообработка – закалка + средний отпуск. (и запомнить легко – находится в середине и отпуск средний).
Строительные стали, содержат малые количества углерода (0, 1— 0, 3%). Это объясняется тем, что детали строительных конструкций обычно соединяются сваркой. Низкое, содержание углерода обесп)ечивает хорошую свариваемость. В качестве строительных используются углеродистые стали Ст2 и Ст3, имеющие предел текучести б0, 2 = 240 МПа. В низколегированных строительных сталях при содержании около 1, 5% Мn и 0, 7% Si предел текучести увеличивается до 360 МПа. К этим сталям относятся 14Г2, 17ГС, I4ХГС. Дополнительное легирование небольшими количествами ванадия и ниобия (до 0, 1%) повышает предел текучести до 450 МПа за счет уменьшения величины зерна. К сталям такого типа относятся 14Г2АФ, I7Г2АФБ. Приведенные стали применяют для строительных конструкций, армирования железобетона, магистральных нефтепроводов и газопроводов.
|
|
|
