Химико-термическая обработка

Это процесс поверхностного насыщения стали химическими элементами (углеродом, азотом, хромом, алюминием, кремнием и др.) для повышения износостойкости, твердости, жаростойкости и других свойств.

К химико-термической обработке относят цементацию, азотирование, цианирование, дифференциальную металлизацию.

Цементация - процесс поверхностного науглероживания стальных изделий для придания им высокой поверхностной твердости при сохранении вязкой сердцевины.

Цементации подвергают: зубчатые колеса, кулаки валиков и др. Для изготовления цементируемых деталей применяют низкоуглеродистые и легированные стали с содержанием углерода 0,15-0,35%.

Вещества предназначенные для науглероживания стали, называют карбюризаторами??? Цементацию можно проводить в твердом, жидком и газообразном карбюризаторе.

При цементации детали загружают в металлический контейнер, наполненный карбюризатором, и нагревают в печи до 900-950°С, за 1 час получается цементируемый слой глубиной 0,1 мм. Карбюризатор - 75% березового угля и 25% Ba_­СО₃ или NaСО₃. Глубина науглероживаемого слоя тем больше, чем выше температура цементации и чем больше время выдержки в печи. Содержание углерода уменьшается от поверхности к сердцевине. Изменение содержание углерода по глубине приводит к получению 3-х зон: заэвтектоидной (кермет + сетка Fe₃С), эвтектоидной (кермет) и доэвтектоидной (феррит + кермет).

Цементация в твердом карбюризаторе применяется в условиях применяется в условиях ремонтного производства.

При газовой цементации поверхностный слой стали насыщается углеродом при нагреве в атмосфере углеродосодержащих газов. Детали нагревают в специальных печах, в которые непрерывным потоком подают цементирующий газ, получаемый при разложении нефтепродуктов. Температура газовой цементации 900-930°С. Время выдержки при газовой цементации в два раза меньше, чем в твердом карбюризаторе. При газовой цементации легко и удобно регулировать состав и количество подаваемого газа, это сокращает продолжительность цикла и снижает стоимость обработки.

Жидкостную цементацию применяют для мелких деталей, когда требуется небольшая глубина цементованного слоя (0,3-0,5 мм). Проводят ее в соляных ваннах, состоящих из 75% Na₂CО₃, 15% NaCl, 10% SiC при температуре 900°С.

Азотирование - процесс насыщения стали азотом для повышения твердости, износостойкости и усталости против коррозии.

Азотируют детали машин работающих при высоких температурах (гильзы цилиндров, клапаны), а также измерительный инструмент.

Процесс азотирования проводят в специальных герметизированных печах при температуре 500-600°С. Через печь пропускаю аммиак NН₃, предварительно просушенный хлористым кальцием, который при нагреве диссоциирует по реакции 2NН₃ = 2N + 6Н. Образующийся азот в атомарном состоянии поглощается поверхностью стали и проникает в глубь детали, образуя твердые растворы и химические соединения, называемые нитридами.

Для изготовления деталей, подвергаемых азотированию, применяют легированные стали. Чем выше температура азотирования, тем глубже слой, но меньше его твердость. Продолжительность азотирования зависит от требуемой глубины поверхностного слоя, например, для азотируемого слоя 0,3-0,6 мм нужно 30-60 часов.

Перед азотированием проводят термическую обработку (закалка и отпуск). Это придает сердцевине изделия высокие механические свойства.

Цианирование - одновременное насыщение поверхности углеродом и азотом для повышения твердости и износостойкости и увеличения сопротивляемости коррозии. Чем выше температура, тем сильнее поверхностный слой насыщается углеродом, чем ниже - азотом.

Цианирование - высокотемпературное: 800-950°С; низкотемпературное: 500-600°С.

Высокотемпературное: при нем получают твердый поверхностный слой глубиной до 2 мм, обладающий высокой износостойкостью. После цианирования изделия непосредственно из ванны или печи закаливают, а затем отпускают. Данную обработку используют для увеличения срока службы шестерен и других деталей.

Низкотемпературное: для инструмента из быстрорежущей стали прошедшей термообработку. Толщина слоя 0,02 -0,07 мм и зависит от режима цианированиря.

На практике применяют два вида цианирования: в жидкостной цианистой ванне, содержащей 45% NaCN, 35% Na₂СО₃ , 20% - NaCl, и газовое (нитроцементация), в среде состоящей из 80% науглероженного газа и 20% аммиака.

Диффузионная металлизация - процесс насыщения поверхностного слоя различными металлами (алюминием, хромом, кремнием и др.) для придания окалиностойкости, коррозионной стойкости, твердости и износостойкости.Ее проводят в твердой, жидкой и газообразных сферах при температуре 1000-1200°С.

Насыщение изделий из стали алюминием (алитирование) придает им высокую жаростойкость (для изделий работающих при высоких температурах). Для устранения хрупкости алитированные изделия подвергают дифференциальному отжигу.

Насыщение поверхности хромом (хромирование) приводит к увеличению коррозионной стойкости, окалиностойкости, твердости и износостойкости.стальных изделий(режущий инструмент).

Насыщение стали кремнием (силицирование) придает ей коррозионную стойкость в некоторых агрессивных средах, несколько повышает ее износостойкость и жаростойкость.

Медь и ее сплавы

Медь - тяжелый цветной металл, температура плавления 1083°, кипения - 2360°С. Кристаллическая решетка - гранецентрированный куб. В чистом виде медь применяют для электротехнических целей (провода, кабели).

Согласно ГОСТу техническую медь делят на 10 марок (М00 (99,99 Cu), М0 (99,95%), М1 (99,9%), М2 (99,70%), М3 (99,5%), М4 (99%), М0б, М1р, М2р, М3р). Медь устойчива к воздействию воздуха и воды, но окисляется в сернистых газах и аммиаке. Ее легко обрабатывать давлением, но трудно резанием. Медь имеет невысокие литейные свойства из-за большой усадки.

Широкое применение получили сплавы на основе меди (латунь, бронза).

Латунь - сплав меди с цинком, если цинка менее 39%, то латунь имеет однофазную структуру (a -латунь) - она мягкая и пластичная, если цинка 40-45% - двухфазная структура, такая латунь тведая и хрупкая. Максимальная пластичность у латуни с 30% содержанием цинка.

Латуни содержащие до 10% цинка - томпаки, 10-20% цинка - полутомпаки.

Латуни - простые (двойные) - медь и цинк, сложные (легированные) - содержат один или несколько легирующих элементов. Некотрые из них (алюминий, никель, железо) для улучшения механических свойств, олово, марганец - для увеличения коррозионной стойкости, свинец для улучшения резания.

Латуни обозначают буквой Л и двухзначными цифрами (содержание меди в процентах), в специальных латунях после Л (в порядке убывания) обозначение легирующих элементов и цифры содержания меди и этих элементов.

Например: Л62 - 62% меди и 38% - цинка; ЛС59-1 - 59% меди, 1% - свинец, 40% цинка.

А - алюминий, Б - берилий, Ж - железо, К - кремний, Мц - марганец, МГ - магний, Н - никель, О - олово, С - свинец, Ц - цинк, Х - хром.

Свинцовистые - хорошие механические свойства, хорошо обрабатываются резанием (для изготовления деталей горячей штамповкой и обрабатывания резанием).

Оловянистые - высокое сопротивление коррозии, обрабатывается давлением в горячем состоянии.

Никелевые - высокая прочность, вязкость, высокие антикоррозионные и антифрикционные свойства . Хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии.

Алюминиевые - антифрикционные детали.

Бронза - медь + олово, алюминий, свинец, кремний, бериллий, хром, сурьма, марганец.

Раньше к бронзам относили только двойные системы медь-олово, сейчас добавляют другие элементы, а название тоже.

Бронзы маркируют Бр, затем буквы элементов (аналогичны латуням), а затем цифры, указывающие среднее содержание элементов в процентах (содержание меди не указывают, а определяют вычитанием из 100% суммы всех входящих в бронзу элементов).

Бр.0Ф10-1 - 10% олова, 1% - фосфора и 89% меди.

По содержанию легирующих компонентов бронзы - оловянные и безоловянные.

Алюминиевые сплавы меди с 4-11,5% алюминия, в который вводят для улучшения свойств железо, никель, марганец. Они обладают высокими механическими свойствами, повышенной жаропрочностью, антикоррозийной стойкостью. Алюминий при содержании его до 10%, повышает прочность сплава. Если 6-8% алюминия - обрабатывают давлением в холодном и горячем состояниях. 9-10% алюминия - при высоких температурах. Если в конце обозначения есть Л - то бронза литейная.

По коррозионной стойкости алюминиевые бронзы превосходят оловянные, особенно по устойчивости в соленной воде, при повышенных температурах. По сопротивлению к коррозии они до 12 раз устойчивее оловянных и в 2-3 раза - нержавеющих сталей.

Бериллевая - сплав меди с бериллием. Высокая прочность и упругость, химическая стойкость, износостойкость. Хорошо обрабатывается резанием. Данную бронзу закаливают с 800°С в воде, подвергают искусственному старению при 350°С в течении 9 часов. После этого бронза приобретает высокую прочность и твердость.

Сочетание в бериллиевых бронзах элементов ???????? , коррозионной стойкости, упругости и прочности, позволяет изготовлять из нее наиболее ответственные детали. Инструменты из нее при работе не дают искр. Недостатком является высокая стоимость.

Кремниевые медь + 0,6-3,5% кремния + немного никеля и марганца. Обладают высокой упругостью, выносливостью, антикоррозийной стойкостью и анти-фрикционностью. Обрабатываются литьем, давлением, свариваются и обрабатываются резанием.

Свинцовистые медь + 26-63% свинца. Антифрикционные свойства (для работы в условиях трения скольжения).

Алюминий и его сплавы.

Алюминий - метал серебристо-белого цвета с матовым оттенком. Кристаллическая решетка гранецентрированный куб. Температура плавления составляет 660°С.

Чистый алюминий применяют в электрической технике для изготовления проводников тока. Тепло- и электропроводность алюминия меньше, чем у меди. Коррозионная стойкость алюминия высокая, благодаря защитному действию плотной пленки окисла. Алюминий стоек в атмосферных условиях и в концентрированной азотной кислоте, но легко разрушается соляной, серной кислотами и щелочами.

А99 - содержит 99,99% алюминия и 0,01% примесей.

Алюминий высокой частоты применяют для изготовления фольги идущей на электролитические конденсаторы. Основную массу алюминия используют для изготовления сплавов.

Сплавы алюминия: деформируемые и литейные, сплавы получаемые методом порошковой металлургии (САП - спеченные алюминиевые порошки, САС - спеченные алюминиевые сплавы).

Литейные - должны обладать высокой жидкотекучестью, небольшой усадкой и малой склонностью к образованию горячих трещин. Чаще применяют сплавы алюминия и кремния, алюминия и меди, алюминия и магния в которые могут вводится модифицирующие добавки. Литейные сплавы обозначаются АЛ.

Сплавы полученные на основе системы алюминий-кремний - силумины. От 6 до 13% кремния (для изготовления изделий сложной конфигурации и небольшой нагруженности).

Сплавы алюминия и магния имеют высокую коррозионную стойкость для изготовления деталей работающих при высоких температурах.

Сплавы алюминия и меди - для производства фасонного?? Литья. 8% меди - сплавы обладают хорошими литьевыми и механическими свойствами.

Деформируемые - делят на сплавы не упрочняемые термической обработкой и сплавы упрочняемые термической обработкой.

Сплавы, не упрочняемые термической обработкой, обладают высокой пластичностью и сопротивляемостью коррозии. Это сплавы алюминий + марганец, алюминий + магний.

Сплавы алюминий + марганец обладают коррозионной стойкостью, пластичностью хорошей свариваемостью. Прочность этих сплавов выше чем у чистого алюминия. Они применяются для изготовления сварных резервуаров для жидкостей и газов.

Сплавы алюминий + марганец - высокая прочность, пластичность, коррозионная стойкость и свариваемость. Применяются для изготовления трубопроводов для бензина и масла, арматуры.

К сплавам, упрочняемым термической обработкой, относятся сплавы системы алюминий - медь - магний, называемые диарамолигенами???. Упрочняют их закалкой с последующим старением.

Медь и магний - основные элементы диарамолигенах, которые придают сплавам высокие механические свойства после соответствующей термической обработки.

Все сплавы диарамолигены обозначают буквой Д и цифрами, которые показывают условный номер марки сплава.

К спекаемым алюминиевым сплавам относят сплавы на основе Al-Al₂О₃, они содержат большое количество легирующих элементов.

Титан и его сплавы.

Титан широко распространен в земной коре, где его содержится около 0,6%, а по распространенности он занимает 4 место после алюминия, железа и магния.

Титан - металл серебристо-белого цвета, имеющий малую плотность. Температура плавления 1672 ± 5°С. В зависимости от степени его чистоты. Он имеет две полиморфные модификации: a-титан с гексагональной решеткой и высокотемпературную модификацию b-титан с кубической объемно-центрированной решеткой.

Температура полиморфного a«bпревращения составляет 882°С.

Титан имеет низкий модуль упругости, это затрудняет изготовление жестких деталей. Для повышения жесткости приходится увеличивать толщину деталей и их массу.

Хотя титан относится к числу химически активных металлов, он обладает высокой коррозионной стойкостью, т.к. на его поверхности образуется стойкая пленка ТiО₂. Благодаря этому титан и его сплавы не корродируют в атмосфере, прсной и морской воде, а также в кислотах органического происхождения. Из-за высокой химической активности обработку его проводят в вакууме или в атмосфере инертных газов.

Сплавы титана имеют несколько меньшую жаропрочность, чем специальные стали.

Рабочая температура их испарения не превышает 550 – 600 °С. При возрастании температуры выше 500 °С титан и его сплавы легко окисляются и интенсивно поглощают водород и другие газы (азот, кислород). При технических и эксплуатационных нагревах необходимо принимать меры для защиты титана от газонасыщения.Титан пластичен и легко обрабатывается давлением при комнатной и повышенной температурах. Титан и его сплавы хорошо свариваются, обеспечивая высокую прочность и пластичность сварного соединения.Основной целью легирования титановых сплавов является повышение механических свойств. Широкое применение нашли сплавы титана с Al, Cr, Mo, Mn. Основным легирующим элементом является Al, который обычно содержится во всех сплавах.По структуре различают следующие типы сплавов титана:

1) Сплавы с α-структурой, легированные α-стабилизаторами (наиболее используемый Al) 4 - 6% Al в виде твердого раствора.

2) Сплавы (α+β)–структурой (двухфазные), содержащие 4 – 6% Al, ρ–стабилизаторов: Cr, V, Mn, Mo. Сплавы этой группы упрочняются с помощью термической обработки.

3) Сплавы с устойчивой μ-структурой имеют меньшее промышленное применение из-за необходимости использования большого количества дорогих легирующих ванадия, молибдена, ниобия, тантала, к тому же обладающих высокой плотностью. Сплавы этого типа менее пластичны и дороже.Упрочнение титанических сплавов может достигаться легированием, наклепом или термической обработкой.Термообработка подобна термообработке стали и состоит из закалки от температуры 800-950°С и отпуска( старения) при 450-600°С, но в отличие от стали достигается меньшее упрочнение.Титановые сплавы к повышенному налипанию на инструмент, что затрудняет их механическую обработку.При проведении сплавки титановых сплавов во избежание появления дефектов в швах, необходимо тщательное удаление оксидной пленки.В настоящее время титан широко используется в ракетно-космической промышленности и авиационной техника, в судостроении и транспортном машиностроении , где особенно важную роль играют малая плотность в сочетании с высокой прочностью и сопротивляемостью коррозии. Из сплавов титана делают обшивку фюзеляжа и крыльев самолетов, панели ракет. Морскую аппаратуру, обшивку судов. Титановая обшивка не обрастает ракушками.Высокая стойкость к коррозии делает сплавы титана перспективными для применения в пищевой промышленности. Титан используется в медицине благодаря высокой устойчивости в тканях человеческого организма. Титан не отторгается костной и мышечной тканью и легко обрастает ими.

16.Проводниковые материалы.

Это материалы, обладающие электропроводностью. Важными проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы. Они делятся на следующие группы.

1) Металлы высокой проводимости (токоведущие части устройств, аппаратуры, провода, обмотки, монтажные детали); 2) сплавы высокого сопротивления (реостаты, доп сопротивления, нагревательные элементы); 3) контактные материалы (эл контакты); 4) конструкционные материалы для различного назначения; 5) материалы для пайки.

Основные свойства проводников. 1) удельная проводимость g или удельное сопротивление (обратная ее величина) r.

Известно, что I=gE, I – плотность тока, Е – напряженность эл поля, [g]=см*м , R – сопротивление проводника, S – поперечное сечение, l – длина проводника.

Диапазон значений удельного сопротивления проводников узок: от 0,016 для серебра и железо- хлор- до 10 мкОм*м – для алюминиевых сплавов.

2) Температурный коэффициент удельного сопротивления: , всегда положителен.

Коэффициент удельного сопротивления для чистых металлов в тв. состоянии близок к температурному коэффициенту линейного расширения идеальных газов.

Повышенным коэффициентом удельного сопротивления обладают ферромагнитные материалы.

3) Коэффициент теплопроводности g_Т, g_Т для металлов больше, чем у диэлектриков. При повышении Т, когда подвижность электронов уменьшается, и уменьшается удельная проводимость g. Отношение коэффициента теплопроводности g_Т к его удельной проводимости g должно увеличиваться законом Видемана-Франца-Лоренци: , Т – термодинамическая температура; L₀ – число Лоренца, равное 2,45*10^-8 В²/К². этот закон выполняется для всех металлов, исключение составляет Mg и Be.

4) Контактная разность потенциалов и термо-ЭДС.

При соприкосновение 2-х проводников между ними возникает контактная разность потенциалов. Это объясняется различными работами выхода электронов из металлов и разной концентрацией электронов у металлов

, где U_a, U_b - потенциалы металлов а и b, п_0а , n_0b – концентрации электронов, k – постоянная Больцмана.

Если температура спаев одинаковы, то сумма разности потенциалов равна нулю.

Если один спай имеет температуру Т₁, а другой - Т₂, в этом случае термо-ЭДС равна:

Контактная разность потенциалов: - постоянный коэффициент термо-ЭДС для пары проводников.

5) Работа выхода электрона из металла.

6) Предел прочности при растяжении s_р и относительное удлинение перед разрывом

Температурный коэффициент линейного расширения . По этой формуле рассчитывают коэффициент линейного расширения и необходимо для расчета температурного коэффициента сопротивления провода .

Механические свойства характеризуются также хрупкостью и твердостью металла.

Материалы высокой проводимости. Первым металлом с наибольшей проводимостью является серебро. Его твердость невелика и оно легко деформируется. t_плав=960 С. При обычных температурах серебро окисляется медленно, а при повышенных – интенсивно. В присутствии сернистых соединений поверхность серебра покрывается слоем сернистого серебра, обладающего большим сопротивлением.

Серебро применяется. Для изготовления электродов керамических и слюдяных к-ров, для покрытия медных обмоточных проводов, катушек индуктивности высокой частоты, для токоведуших элементов печатных плат, а также в контактных слаботочных и сильноточных.

Следующий материал - медь – это второй металл после серебра. Ее проводимость зависит от чистоты. Примеси снижают проводимость. Преимущество меди: 1) малое удельное сопротивление; 2) высокая механическая прочность; 3) достаточно хорошая стойкость к коррозии. При коррозии медь покрывается тонкой пленкой окиси, которая предохраняет от дальнейшего окисления меди. Сильно коррозирует при окислении сероводородом, аммиаком и серной кислотой при t>150 C.

4) хорошая обрабатываемость (медь прокатывается в листы, ленту, проволоку разной толщины, фольгу). В виду большой вязкости меди особенно отожженной ее механическая обработка (точение, сверление) затруднена.

5) относительная легкость пайки и сварки.

В чистом виде медь имеет розово-красный цвет (красная) медь. Чем больше примесей, тем темнее медь. t_плав=1083 С. Примеси сильно влияют на электропроводность. Железо, кремний, фосфор снижают электропроводность на 60%. Примеси сильно влияют на физические свойства. Особенно вредит висмут, который делает медь ломкой, сера – хрупкой, мышьяк уменьшает вязкость. Медь получают переработкой сульфидных руд. Для электротехнических целей применяют электролитическую медь двух видов: тв. медь (ТМ), мягкую медь (ММ).

Медь по содержанию примеси делят на:

- безкислородную (МО)

- кислородосодержащую (М₁)

Тв. медь применяется для голых проводов связи, ЛЭП, коллекторные пластинки.

Медь МО содержит примеси не больше 0,05% , и в том числе и кислорода не более 0,02%.

В меди М₁ чистой меди 99,9%. Повышенное содержание в ней кислорода приводит к хрупкости. Мягкая медь применяется для обмоточных проводов, жил, кабелей.

Из МО изготавливают тонкую проволоку (микропроволоку и фольгу). Широкое применение находит не сама медь, а ее сплавы: латунь, бронза, нийзильбег, манганат, константан.

Латунь- сплав цинка (цинк от 20-55%). При меньшем содержании цинка латунь мягче, пластичнее, при большем – тверже и прочнее. Латунь, содержащая не более 25% цинка называется томпаком. Латунь окисляется на холоде и при нагреве меньше, чем медь. механическая прочность латуни больше, электропроводность составляется 25% от латуни в чистом виде.

Л-59(процент меди), ЛС-59-1 (процент свинца). Применяется для изготовления проволоки, листов, ленты, детали, требующей глубокой выдержки (экраны контура)

Бронза – сплав меди с оловом, кремнием, алюминием, кадмием, бирилием и др. легирующими электролитами. Бронза обладает лучшими литейными свойствами: малой усадкой, большой твердостью и механической прочностью и стойкостью к истиранию, по электрическая прочность больше, чем у меди. Применяют для проводов связи, антенных канатиков. В радиоэлектронике применяется кадмиевая, бериллиевая бронза. Бронза обозначается БрОФ7-0,2; 7% - олова, 0,2% - фосфора.

Кадмиевая бронза обладает хорошей электропроводностью, высокими механическими свойствами, особенно на износ. Нагрев до 250С не влияет на ее механические свойства. Бериллиевая бронза обладает высокой упругостью, механической прочностью, хорошей стойкостью к износу. Изготавливают: токонесущие пружины, зажимы, рубильники, выключатели.

Алюминий. Применяется как конструкционный материал. Он является одним из основных электротехнических материалов. Он менее дефицитен, обладает малым удельным весом, следовательно, чтобы получить алюминиевый провод с эл сопротивлением как у меди нужно увеличить в 3 раза диаметр. Алюминий серебристо-белого цвета, t_плав=675 С. На воздухе алюминий быстро окисляется, покрывается пленкой окисла, которая защищает его от дальнейшего окисления. Окислы алюминия безвредны. Алюминий растворяется в соляной кислоте. Выпускается в виде прутков, проволоки и фольги.

В зависимости от чистоты различают: 1) алюминий особой чистоты (А₉₉); 2) алюминий высокой чистоты (А₉₉₅); 3) алюминий технической частоты (технический алюминий).

3-й используется для трубопроводов, шин, конденсаторов, для корпусов часов, перегодки в комнатах и т.д.

2-й применяется для изготовления токоведущих и кабельных изделий

Альдрей – алюминиевый сплав с повышенной по сравнению с чистым алюминием прочностью, содержащий 0,3-0,5% -Mg, 0,4-0,7% - Si, 0,2-0,3 – Fe (прочнее алюминия). Высокие механические свойства альдрей приобретает после особой обработки (закалки катанки, охлаждения в воде от температуры 510-550 С, волочения и последующей выдержке при температуре п-ка 150 С. В альдрее образуется соединение Mg2Si, которое придает сплаву высокие механические свойства. Т.О., альдрей сохраняя легкость чистого алюминия и будучи довольно близким к нему по удельной проводимости, в то же время по механической прочности сближается к твердотянутой меди.

Железо (сталь) Наиболее дешевый и доступный металл, обладающий к тому же высокой механической прочностью, используется в качестве проводникового материала. Однако железо имеет более высокое удельное сопротивление по сравнению с медью и алюминием.

Сталь как проводниковый материал используется также в виде шин, рельс, эл железных дорог и пр. Для сердечников стальалюминиевых проводов воздушных ЛЭП. Применяется особо прочная стальная проволока. Обычная сталь обладает малой стойкостью к коррозии даже при нормальной температуре она быстро ржавеет (особенно в условиях повышенной влажности), при увеличении температуры скорость коррозии резко возрастает. Поэтому поверхность стальных проводов должна быть защищена слоем более стойкого материала (например, цинком). Железо имеет высокий температурный коэффициент ТК_r.