Химико-термическая обработка стали

Химико-термической обработкой называют процесс изменения химиче­ского состава, микроструктуры и свойств поверхностного слоя стальных изделий насыщением тем или иным веществом при высокой температуре. Твердость поверхностных слоев повышается при достаточно вязкой серд­цевине. Такими видами обработки являются цементация, азотирование, циа­нирование, диффузионная металлизация.

Цементация.При цементации поверхность изделий из малоуглероди­стых сталей с 0,1–0,3 % С насыщается углеродом на глубину 0,5–2,5 мм. Содержание углерода на поверхности металла достигает 1 %.

Изделия помещают в огнеупорный ящик и засыпают цементационной сме­сью из активизированного угля и углекислой соли К₂СО₃, Na₂CO₃ или ВаСО₃. В течение 8–10 часов ящик выдерживают в печи при 880–950 °С, в котором образовавшийся из смеси углерод диффундирует в кристаллическую решетку y-Fe, образуя аустенит. Можно выполнять газовую цементацию, нагревая стальные детали в газовых смесях с СО, СКЦ и других в течение 5–7 часов.

После цементации изделия подвергают закалке на мартенсит с после­дующим низким отпуском. Цементация повышает твердость поверхностно­го слоя стального изделия до 580–650 НВ.

Азотирование.При азотировании поверхностный слой стальных изде­лий насыщается азотом. Оно осуществляется в атмосфере аммиака (NH₃) в течение 60 часов при 500–600 °С и достигает глубины 0,3–0,6 мм. Азоти­руются стали, легированные хромом, молибденом или алюминием. Сталь приобретает повышенные коррозионную стойкость, износостойкость и пре­дел усталости. Твердость ее достигает 1200 HV, а после цементации она составляет 900 HV.

Цианирование.При цианировании поверхностный слой стальных изде­лий насыщают азотом и углеродом. Их нагревают в расплавленных циани­стых солях NaCN или KCN или в газовой среде, состоящей из смеси СН₄ и NH₃.

Различают высокотемпературную обработку при 850–950 °С и низко­температурную при 500-600 °С.

При низкотемпературном цианировании поверхностный слой насыщает­ся преимущественно азотом на глубину 0,01–0,04 мм и имеет твердость 1000 HV. Его применяют для обработки режущих инструментов из быстро­режущих сталей.

При высокотемпературном цианировании толщина насыщенного слоя составляет 0,6–1,8 мм. После обработки детали подвергают закалке, а затем отпуску. Твердость составляет 50–92 HRC. Цианированная поверхность по сравнению с цементированной имеет более высокую твердость, износо­стойкость и коррозионную стойкость.

Диффузионная металлизация. При диффузионной металлизации поверхность изделия насыщается алюминием (алитирование), хромом (хромирование), кремнием (силициро-вание), бором (борирование).

При алитировании детали приобретают повышенную коррозионную стойкость; при хромировании – стойкость в газовой среде, морской воде и кислотах; при силицировании – высокую кислотостойкость в соляной, сер­ной и азотной кислотах; борирование придает верхнему слою твердость до 1800–2000 HV, повышенную износостойкость и коррозионную стойкость.

18.5.5 Сварка, газовая резка и пайка металлов

Сварка металлов.Сварка представляет собой технологический процесс получения механически неразъемных соединений металлических изделий путем местного нагрева до плавления или до пластического состояния. С применением сварки изготавливают строительные металлоконструкции для мостов, гидротехнических сооружений, промышленных зданий и сооруже­ний и др.

В зависимости от источника получения тепла, степени нагрева свари­ваемых деталей и технологии ведения процесса сварки ее подразделяют на следующие виды: электрическую (электродуговая, электроконтактная); хи­мическую (газовая, термитная); электрохимическую (атомно-водородная); электромеханическую (кузнечная, давлением); лучевую (лазерная). В строительстве чаще всего применяют ручную электродуговую, газовую и электроконтактную виды сварки.

При электродуговой сварке (рисунки 18.21,18.22 для местного плавления свариваемых деталей используют тепловой эффект электрической дуги,

которая возникает между свариваемым металлом и угольным электродом или свариваемым металлом и металлическим электродом.

При первом способе в качестве присадочного материала используется металлическая проволока, которая смешивается с основным материалом и образует сварочный шов. Температура дуги составляет 3800–3900 °С. Этот способ применяется при сварке тонколистовой углеродистой конструкци­онной стали, некоторых цветных металлов и их сплавов.

При втором способе электродом является металлический стержень и он же служит присадочным материалом. Для защиты наплавленного металла от вредного воздействия кислорода и азота воздуха электроды защищаются различными покрытиями. Наиболее простым является смесь жидкого стек­ла и мела. Сварка осуществляется на переменном и постоянном токе. Тем­пература дуги при металлическом электроде составляет 2400–2600 °С. Этот способ является основным в строительстве.

В настоящее время широко применяется автоматическая сварка под слоем флюса (рисунок 18.23). Состав флюса: 43–48 % МnО, 38–43 % SiO₂, 9–10 % CaF₂. Скорость сварки составляет 10–70 м/ч, производительность труда по сравнению с ручной повышается в 5–10 раз, улучшается качество шва.

При электроконтактной сварке к соединяемым изделиям прикладывают­ся механические усилия и пропускается электрический ток напряжением 0,5–10 В. Выделяется большое количество тепла, которое разогревает изде­лия и происходит сварка.

По форме соединений различают следующие виды контактной сварки:стыковую, точечную, шовную или роликовую (рисунок18.24)

Рисунок 18.24 – Виды контактной сварки: а – стыковая, б – точечная, в – шовная, 1 – соеди­няемые детали, 2 – электроды, 3 – сварочный трансформатор, Р – усилие сжатия

При стыковой сварке свариваемые детали соединяются по всей поверхно­сти соприкосновения. Изделия помещают в зажимы машины, прижимают друг к другу и пропускают электрический ток. Концы изделий разогревают до пла­стического состояния металла, затем выполняется их сжатие и сварка. Стыко­вая сварка применяется при сварке арматурной стали, рельсов, полос и пр.

При точечной сварке свариваемые части сжимаются между двумя мед­ными электродами. Электрический ток проходит между электродами и ме­таллом и разогревает его вплоть до температуры плавления в виде пятна в несколько миллиметров (точки). Этот вид сварки применяют при соедине­нии арматурных стержней, листов внахлестку.

При шовной (роликовой) сварке электроды имеют форму роликов диа­метром 40–350 мм, катящихся по изделию. Процесс сварки происходит не­прерывно. Этот вид сварки применяется для соединения листов внахлестку.

При газовой сваркенагрев и расплавление кромок металла осуществ­ляется за счет сгорания горючих газов в кислороде. Для этой цели приме­няют ацетилен, светильный газ, пары бензина, водород. Чаще всего приме­няют ацетилен. Кислород поставляется в баллонах, ацетилен в баллонах или получают на месте воздействием воды на карбид кальция. Смешивание аце­тилена с кислородом осуществляется в горелке. Посредством газового пла­мени (температура 3100 °С) разогревают кромки свариваемых изделий и заполняют сварной шов металлом присадочной проволоки, расплавляемой одновременно с кромками основного металла. В строительстве газовую сварку применяют для сварки труб при монтаже систем газоснабжения, во­доснабжения, отопления.

При газопрессовой сварке металлические изделия разогревают до оплав­ления специальной газовой горелкой и соединяют сжимающим усилием.

Газовая резка.При газовой резке твердый металл прожигают в струе сжатого кислорода, а образующиеся оксиды выдувают струей кислорода. Газовой резке поддаются металлы, у которых температура горения ниже температуры его плавления, чтобы сам металл не плавился, а продукты го­рения были жидкими и могли удаляться из реза. Хорошо поддаются резке железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 0,7 %. Температура их горения ниже температуры плавления, а при содержании углерода более 0,7 % температура горения приближается к температуре плавления, и эти сплавы плохо поддаются резке. Высоколегированные стали и чугуны не поддаются резке, так как образуются тугоплавкие оксиды. В этом случае применяют кислородно-флюсовую резку. Вдувают специальные порошко­образные флюсы, состоящие чаще всего из железного порошка. При этом в процессе горения флюса образуются легкоплавкие комплексные соединения FeO·SiO₂, FeO × Сг₂О₃ и др. Доступ кислорода к неокисленному металлу вследствие удаления тугоплавких оксидов облегчается.

Для меди и медных сплавов в качестве флюсов применяют фосфорные и в меньшей степени алюминиевые оксиды. Алюминий за счет термитной реакции повышает тепловой эффект.

Пайка металлов.Пайка – процесс соединения материалов в твердом виде припоями. Припои в расплавленном состоянии заполняют зазор между соединениями, смачивают их поверхности, а при охлаждении, кристаллизу­ясь, образуют паяный шов. В результате химических связей в контакте ос­новной металл - припой образуется соединение материалов. Паяный мате­риал и припой нагревают до температуры плавления припоя. Основной ма­териал имеет температуру плавления выше температуры плавления припоя и остается в твердом состоянии.

Пайке поддаются все углеродистые и легированные стали, чугун, медь, никель, алюминий и другие металлы и сплавы.

Чаще всего применяются для пайки оловянно-свинцовые припои. На­пример, припой ПОС-40 содержит олова 40 % и свинца 60 % и имеет ин­тервал плавления 235–183 °С.

Нагрев осуществляется в печах электросопротивления, газопламенных печах паяльниками периодического нагрева или электропаяльниками, в соляных ваннах, в расплаве припоя, газовыми горелками, паяльными лам­пами и др.

18.5.6 Металлы, стали и сплавы, применяемые в строительстве^: