Химико-термическая обработка

При химико-термической обработке стальных деталей изменяется химический состав их поверхностных слоев, что позволяет получить после термообработки мелкозернистую структуру, высокую твёрдость, прочность и износостойкость стали.

Существует ряд способов такой обработки:

– цементация – насыщение поверхностных слоев стали углеродом;

– азотирование – насыщение азотом;

– цианирование – одновременное насыщение углеродом и азотом;

– борирование – насыщение бором и др.

Глубина слоя поверхности детали насыщения составляет обычно 0,2…1мм.

Цементации подвергаются детали из низкоуглеродистых сталей марок сталь 15, 20Х, 12Х2Н4А и др.; цианированию – детали из стали марок сталь 15, 20, 25,… 45, 35Х, 40Х и др.

Цветные металлы и их сплавы

Широкое распространение в технике получили цветные металлы и их сплавы. По сравнению с чёрными металлами, цветные имеют ряд ценных свойств, но они значительно дороже. В связи с этим их применяют только в тех случаях, когда по условиям эксплуатации детали не могут быть изготовлены из чёрных металлов.

Наиболее широкое применение в машиностроении находят алюминий, медь, никель, титан, магний, свинец, олово и их сплавы.

Алюминий и его сплавы

Алюминий – один из наиболее лёгких конструкционных материалов. Его плотность – 2,7.г/см³, температура плавления – 658ºС. В отожжённом состоянии алюминий обладает малыми прочностью (σ_в = 80…120Мпа) и твёрдостью (25НВ), но большой пластичностью (δ = 35…45%). Кристаллизуется алюминий в кубической гранецентрированной решётке и полиморфных превращений не имеет; обладает высокой тепло- и электропроводностью, коррозионной стойкостью, технологичен и немагнитен [1,3,5].

Алюминий получают из руд, содержащих оксиды алюминия. Основной рудой являются бокситы, содержащие 40…80% глинозема (Al₂O₃). Производство алюминия состоит из двух процессов: выделения глинозема из руды и его электролиза. Полученный в результате электролиза алюминий содержит примеси железа, кремния, меди, поэтому его рафинируют. После рафинирования образуется технически чистый алюминий (содержание его 99,5…99,85%).

Маркируется алюминий буквой А и числом, зависящим от количества примесей. Различают алюминий:

– особой чистоты – А999 (99,999 % Al);

– высокой чистоты – А995 (99,995 % Al), А99 (99,99 % Al), А97 (99,97 % Al), А95 (99,95 % Al);

– технической чистоты – А85, А8, А7, А6, А5 и А0 (99,0% Al).

Ввиду низкой прочности технически чистый алюминий как конструкционный материал применяют сравнительно редко. В результате сплавления алюминия с магнием, медью, цинком и другими металлами получены сплавы с достаточно высокой прочностью, малой плотностью и хорошими технологическими свойствами.

Алюминиевые сплавы подразделяются на литейные и деформируемые (обрабатываемые давлением).

Литейные алюминиевые сплавы имеют большую жидкотекучесть и малую линейную усадку (1,1%), поэтому из них изготовляют самые сложные по форме литые детали. Маркируются литейные сплавы буквами АЛ и числом, показывающим условный номер сплава. Цифры, стоящие в маркировке этих сплавов, не имеют никакого отношения ни к их составу, ни к их свойствам. Наибольшее распространение получили сплавы алюминия с кремнием с содержанием кремния 11,6%. Эти сплавы называются силуминами. Основной литейный алюминиевый сплав – силумин АЛ2.

По назначению конструкционные литейные алюминиевые сплавы можно условно разделить на следующие группы:

– сплавы, отличающиеся высокой герметичностью (АЛ2, АЛ4, АЛ9 и др.) (силумины); они имеют очень хорошие литейные свойства, но малую прочность;

– высокопрочные жаропрочные сплавы (АЛ3, АЛ5, АЛ19 и др.) (содержат до 6% меди и небольшое количество других элементов); они отличаются повышенной прочностью и жаропрочностью при температуре до 300ºС. Они хорошо обрабатываются резанием и свариваются. Недостатком этих сплавов является низкая коррозионная стойкость;

– коррозионно-стойкие сплавы (АЛ8, АЛ22, АЛ24 и др.) (содержат до 13% магния и небольшое количество других элементов). Характеризуются высокой коррозионной стойкостью в различных агрессивных средах, хорошо обрабатываются резанием и свариваются.

Прочность большинства литейных сплавов можно повысить термической обработкой.

Деформируемые алюминиевые сплавы обладают хорошей пластичностью, из них изготовляют известные в технике полуфабрикаты: фольгу, листы, прутки, ребристые панели, поковки, штамповки, проволоку, уголки и другой прокат.

Эти сплавы делят на неупрочняемые термообработкой и упрочняемые.

К неупрочняемым относят сплавы алюминия с марганцем и магнием. Они обладают высокой коррозионной стойкостью, умеренной прочностью, высокой пластичностью, хорошо свариваются. Их применяют для изделий, эксплуатируемых в агрессивных средах, а также изготавливаемых путём глубокой штамповки: рам и кузовов, перегородок зданий, бензиновых баков и т.п.

Маркировка этих сплавов: АМц – сплавы алюминия с марганцем и АМг1,…АМг7 – с магнием.

Деформируемые сплавы, упрочняемые термообработкой, имеют наибольшую плотность (3г/см³) и высокую прочность (σ_в до 700 МПа). Их применяют для изготовления ответственных деталей. Наиболее распространённым сплавом этой группы является дуралюмин. Основным компонентом, упрочняющим дуралюмин, является медь (до 5%), в качестве дополнительных легирующих элементов используется магний (до1%), марганец (до 2%), титан и др.

Термообработка дуралюмина заключается в закалке при температуре 450…590ºС, в охлаждении в воде, а затем в выдержке при комнатной температуре в течении 4…5 суток (естественное старение).

Дуралюмин маркируется буквой Д и порядковым номером: Д1, Д16, Д18. В результате термической обработке прочность повышается в два раза, а пластичность практически не меняется.

Достоинством дуралюмина является высокая удельная прочность (отношение предела прочности к плотности). Недостатком дуралюминов является пониженная коррозионная стойкость.

Наиболее распространёнными являются дуралюмины Д1, Д16, Д18, в состав которых входят 4% меди, до 2% магния и менее 1% марганца, с условным пределом текучести σ_0,1= 240…310 МПа, временным сопротивлением σ_в = 400…425 МПа и относительным остаточным удлинением δ = 20% [3].

Из алюминиевых сплавов, в частности АЛ3, в швейных машинах выполнены: крышки, ограждения корпусных деталей КД-01, КД-02, картер и барабан механизма распределительных валов РВ-01 и др.

Медь и её сплавы

По применению в промышленности медь занимает второе место после алюминия. Это объясняется её высокой тепло- и электропроводностью, пластичностью. Медь хорошо обрабатывается в холодном и горячем состоянии, у неё повышенная коррозионная стойкость. Содержание меди в рудах невелико – 0,5…5%, поэтому руду обогащают. Вначале получают концентрат, затем его подвергают обжигу, чтобы снизить содержание серы, далее плавят в отражательных печах. Полученный медный штейн переплавляют в конвертере и получают черновую медь, содержащую 98,4…99,4% меди. После рафинирования её очищают для удаления вредных примесей. При этом содержание меди возрастает до 99,5…99,95%. Очищенную таким образом медь подвергают электролизу, вследствие чего получают чистую электротехническую медь.

Чистая медь имеет розовато-красный цвет; плотность – 8,93 г/см³, температура плавления – 1083ºС. В отожженном состоянии σ_в= 250 МПа, δ = 45…60%, твёрдость – 60НВ. Кристаллизуется в кубической гранецентрированной решетке и полиморфных превращений не имеет.

Благодаря высокой электропроводности около половины произведённой меди используют в электро- и радиотехнической промышленности для изготовления проводников, монтажных и обмоточных проводов и т.д. Как конструкционный материал медь не используется из-за высокой стоимости и низких механических свойств. Маркируется буквой М и числом, зависящим от содержания примесей.

Технические меди М1 (примесей 0,1%), М2 (примесей 0,3%) М3 (примесей 0,5%), имеют высокие электрическую и тепловую проводимости, коррозионную стойкость; хорошо свариваются и обрабатываются давлением, но плохо обрабатываются резанием.

Широкое использование в машиностроении имеют сплавы меди с другими элементами – латуни и бронзы.

Латунь. Сплав меди с цинком называются латунью. Механические свойства латуни – прочность и пластичность – выше, чем меди. Она хорошо обрабатывается резанием и давлением, характеризуется высокими коррозионной стойкостью, теплопроводностью и электропроводностью.

Большим преимуществом латуней является сравнительно низкая стоимость, так как входящий в состав цинк значительно дешевле меди. Максимальную прочность имеет латунь, содержащая 45% цинка, её предел прочности σ_в = 350 МПа; а максимальную пластичность – латунь, содержащая 32% цинка, её` относительное остаточное удлинение δ = 55%. При увеличении содержания цинка более 39% резко падает пластичность, а выше 45% – и прочность. Поэтому латуни, содержащие более 45% цинка, не применяются.

По химическому составу различают простую (двойную) латунь, в которой содержатся только медь и цинк и сложную (специальную), в которой кроме цинка содержатся легирующие элементы: никель, свинец, олово, кремний и др. Специальная латунь отличается повышенной прочностью, лучшими антикоррозионными и технологическими свойствами.

По технологическому признаку латуни делятся на деформируемые (обрабатываемые давлением) и литейные.

Латуни маркируются буквой Л. В деформируемых латунях указывается содержание меди и легирующих элементов в процентах после всех буквенных обозначений легирующих элементов (О – олово, А – алюминий, Б – бериллий, Ж – железо, К – кремний, Мц – марганец, Н – никель, С – свинец). Например, латунь Л63 содержит 63% меди и 37% цинка; латунь ЛАЖ60-1-1 содержит 60% меди, 1% алюминия, 1% железа и 38% цинка.

В марках литейных латуней указывается содержание цинка, а количество легирующих элементов ставится после букв их обозначающих в процентах. Например, литейная латунь ЛЦ40Мц3А содержит 40 % цинка, 3 % марганца, менее 1 % алюминия и 56 % меди.

Простые латуни выпускают следующих марок: Л96, Л90, Л85, Л70, Л68, Л63, Л60. Все они являются деформируемыми. Наибольшее применение имеют латуни, содержащие 90, 80, 70 и 68% меди. Латуни, содержащие до 15% цинка (Л90, Л85) называют томпаком, они имеют цвет золота и применяются для изготовления украшений.

Из латуни Л63 изготовлены контакты в механизме нижнего движения материала КД-05, сепаратор в механизме иглы и нитепритягивателя ИН-12.

Специальные литейные латуни применяют для изготовления втулок, подшипников, для коррозионно-стойких деталей в машиностроении. Для вытачивания деталей на станках наилучшими свойствами обладают свинцовые латуни: ЛС59-1, ЛС63-3, ЛС64-2 (в обозначении: первая цифра – содержание (%) меди, вторая – свинца, остальное – цинк).

Бронзы. Сплав меди с оловом, алюминием, свинцом и другими элементами, называют бронзой.

По основному легирующему элементу бронзы делятся на оловянные, алюминиевые, кремнистые, бериллиевые, свинцовые и др.

Бронзы обладают хорошими литейными свойствами, хорошо обрабатываются давлением и резанием. Большинство бронз отличаются высокой коррозионной стойкостью и широко используются как антифрикционные сплавы.

По технологическому признаку бронзы делят на деформируемые и литейные. Маркируются бронзы буквами Бр, за которыми указывается содержание легирующих элементов в %. Обозначения легирующих элементов и отличия в марках деформируемых и литейных сплавов у бронз такие же, как у латуней. Например, деформируемая бронза БрОФ6,5-0,4 содержит 6,5% олова и 0,4% фосфора, а литейная бронза БрО3Ц7С5Н – 3% олова, 7% цинка, 5% свинца, менее 1% никеля.

Особенно широкое применение в машиностроении имеют оловянные бронзы. Они обладают высокими механическими (σ_в =150 …350 МПа, δ = 3…15% ,60…90НВ) и антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью, хорошо отливаются и обрабатываются резанием.

Литейные оловянные бронзы БрО5Ц5С5. БрО6Ц6С2, БрО10Ф1 и др. имеют самую низкую усадку и наилучшую жидкотекучесть среди всех медных сплавов. Применяют для изготовления деталей, работающих в условиях морской и пресной воды, для изготовления антифрикционных деталей (вкладыши подшипников скольжения).

Деформируемые оловянные бронзы обладают высокой пластичностью и упругостью. Из них изготавливают прутки, трубы, ленты, Бронзу БрОФ6,5-1,5 применяют для изготовления пружин, мембран, антифрикционных деталей; бронзы БрОЦ4-3, БрОЦС4-4-2,5 – для производства плоских и круглых пружин, антифрикционных деталей.

Так как олово дорогостоящий и дефицитный материал, то оловянную бронзу применяют только для изготовления ответственных деталей. В остальных случаях стремятся использовать безоловянные бронзы.

Безоловянная бронза – сплав на медной основе, содержащий алюминий, кремний, марганец, фосфор и др. Используют деформируемые алюминиевые бронзы следующих марок: БрА5, БрАЖ9-4, БрАМц9-2, БрАЖМц10-3-1, БрАЖН10-4-4 и др. Например, бронза БрАЖ9-4 обладает высокими механическими и антифрикционными свойствами. Из этой бронзы делают червячные колеса, втулки подшипников скольжения. В частности, из бронзы сделаны втулки механизма иглы и нитепритягивателя ИН-11, механизмов челноков МЧ-03 и МЧ-05, механизма обрезки края ткани, механизма для образования краеобмёточной строчки, шпонка (предохранительная) фрикционного привода с автостопом швейных машин различного класса.

К литейным относят алюминиевые бронзы марок БрА10Ж3Мц2, БрА9Ж4, БрА11Ж6Н6 и др. Из них получают фасонные отливки различной конфигурации и массы.

Механические свойства алюминиевых бронз характеризуются следующими показателями: σ_в =700 МПа, δ = 20 %, (80…250)НВ.

Свинцовые бронзы марок БрС30 и с добавкой олова БрОС5-25, БрОС8-12 отличаются высокими антикоррозионными свойствами и теплопроводностью (в 4 раза больше, чем у оловянных). Это позволяет хорошо отводить тепло из зоны трения. Поэтому свинцовые бронзы применяют для изготовления сильно нагруженных подшипников скольжения.

Кремнистые бронзы марок БрКМц3-1, БрКН1-3 заменяют дорогостоящие оловянные бронзы и бериллиевые бронзы, Они легко обрабатываются давлением, резанием, свариваются, обладают высокой упругостью и коррозионной стойкостью. Применяются для производства пружин и пружинящих деталей приборов, эксплуатируются при температурах до 250º С, а также в агрессивных средах.

Медно-никелевые сплавы. К медно-никелевым сплавам относятся сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является никель. Они маркируются буквой М, за которой следует обозначение и содержание легирующих элементов, как и в деформируемых латунях и бронзах. Легирование меди никелем значительно повышает её механические свойства и коррозионную стойкость.

Мельхиоры МНЖМц 30-1-1, МН19 характеризуются высокой коррозионной стойкостью в атмосфере, пресной и морской воде, растворах солей, органических кислотах. Они хорошо обрабатываются давлением в холодном и горячем состояниях. Применяются в химической промышленности и для изготовления хирургических инструментов.

Сплавы на основе Cu-Ni-Zn называются нейзильберами (МНЦ 15-20, МНЦС 16-29-18). Легирование цинком приводит к повышению механических свойств и удешевлению медно-никелевых сплавов, а также делает их внешне похожими на серебро.

Нейзильберы характеризуются высокой коррозионной стойкостью. Применяются в приборостроении, в медицине и в быту.

Сплавы группы Cu-Ni-Аl называются куниалями. Они характеризуются высокими механическими свойствами, упругостью, коррозионной стойкостью

Баббиты. Баббиты (от имени американского изобретателя И. Баббита) – общее название антифрикционных сплавов, на основе олова (Sn) или свинца (Pl) с добавками сурьмы (Sb), меди (Cu) и др. элементов. Применяются для заливки подшипников, работающих со смазкой при высоких нагрузках и скоростях скольжения. Отличаются хорошей прирабатываемостью, низкой температурой заливки (300…420º С) и малым коэффициентом трения. Лучшими антифрикционными свойствами [5] обладают баббиты оловянные:

– Б83 (10…12% сурьмы, 2,5…6,5% меди, остальные 83% олова);

– Б89 (7,5…8,2% сурьмы, 2,6…3,5% меди, остальные 89% олова).

Большое распространение получили свинцово-оловянные баббиты, имеющие более высокий коэффициент трения, менее износостойкие и хрупкие.

С повышением температуры твёрдость баббитов быстро снижается, поэтому их рабочие температуры не должны превышать 80ºС, хотя их температура плавления более 340ºС. Коэффициент трения со смазкой для них составляет 0,005…0,006.

Могут быть баббиты на цинковой и алюминиевой основе.

Титан и его сплавы

Титан – серебристо-белый металл плотностью 4,5 г/см³, с температурой плавления 1670ºС. Характеризуется низкими электропроводностью и теплопроводностью.

Главное преимущество титана и его сплавов состоит в сочетании высоких механических свойств с коррозионной стойкостью в агрессивных средах (азотная, соляная и фтористая кислоты) и относительно низкой плотностью.

По технологическому признаку титановые сплавы классифицируются на деформируемые, литейные и порошковые. По свойствам титановые сплавы делятся на высокопластичные, сплавы нормальной прочностью, высокопрочные, жаропрочные, коррозионностойкие.

Область применения титановых сплавов очень велика: авиация, ракетная техника, химическое машиностроение, судостроение. В автомобильной отрасли титановые сплавы позволяют уменьшить массу автомобильных двигателей, увеличить частоту вращения и мощность.

Выводы

Сплавы в отличие от чистых металлов, имеющих ограниченное сочетание требуемых свойств, находят более широкое применение в машиностроение. Наибольшее применение имеют сплавы железа с углеродом: чугуны и стали. Примерно 90% всех металлоконструкций выполнены из этих сплавов.

Свойства сплавов железа с углеродом определяются по диаграмме железо – углерод. Она даёт представление о строении основных конструкционных сплавов – сталей и чугунов.

Чугун самый дешёвый машиностроительный материал. Производится он в доменных печах. Сырьём для его производства служит железная руда. Процесс, протекающий в доменной печи, состоит из восстановления железа из его оксидов, превращения железа в чугун и шлакообразования. В чугуне содержится от 2,14 до 6,67% углерода. В зависимости от того, в какой форме углерод находится в чугуне, различают чугун белый, серый, высокопрочный и ковкий.

Сталь важнейший материал, используемый в машиностроении. Содержание углерода в нём менее 2,14%. Получают сталь из жидкого чугуна в конвертерах, в мартеновских и электропечах.

В зависимости от химического состава стали могут быть углеродистые и легированные; низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые; конструкционные, инструментальные и специального назначения.

С целью изменения структуры и свойств стали применяются термическая и химико-термическая обработки.

Широкое распространение в технике получили цветные металлы алюминий, медь, никель, титан и др. и их сплавы. По сравнению с чёрными металлами они имеют ряд ценных свойств, но они значительны дороже. В связи с этим их применяют только в тех случаях, когда по условиям эксплуатации детали не могут быть изготовлены из чёрных металлов.

Вопросы для самопроверки

1. Сплавы. Металлические сплавы, их строение и фазы.

2. Полиморфные модификации и превращения в железе.

3. Компоненты, фазы и структурные составляющие сплавов железа с углеродом.

4. Диаграмма железо-цементит.

5. Материалы для производства чугуна.

6. Процесс получения чугуна в доменной печи.

7. Виды чугунов, их отличие. Область применения

8. Белый чугун. Свойства и область применения.

9. Серый чугун, его маркировка..

10. Высокопрочный чугун, его маркировка..

11. Ковкий чугун, его маркировка..