Химико-термическая обработка стали

 

Обработка, при которой металл нагревают в специальных средах, изменяю­щих химический состав поверхностного слоя, называется химико-термической (ХТО). Распространенными видами ХТО сталей являются цементация (насыще­ние поверхностного слоя изделия углеродом), азотирование (насыщение азотом), нитроцементация и цианирование (насыщение азотом и углеродом одновременно).

Режимы химико-термической обработки, состоящей в диффузионном на­сыщении металла А компонентом В, определяются видом диаграммы состояния системы А-В. Термодинамически такая обработка возможна, если в диаграмме имеется высокотемпературная область значительной растворимости компонента В в А.

Например, цементация сталей проводится в аустенитной области диаграм­мы состояния Fe-Fe₃C. Цементации подвергают низкоуглеродистые стали (це­ментуемые стали). В качестве насыщающих сред (при цементации такие среды называют карбюризаторами) используют древесный уголь с добавками углекис­лых солей; углерод содержащие газы; расплавы солей с добавками карбидов. Максимальное возможное насыщение поверхностного слоя определяется линией SE диаграммы - линией предельной концентрации углерода в аустените. Цемен­тованная сталь при охлаждении от температуры цементации испытывает эвтектоидное превращение, вследствие чего насыщенный углеродом слой (диффузион­ный слой) приобретает сложную структуру: на поверхности - перлит + цементит, глубже - перлит и затем - перлит + феррит. Конечная цель цементации - получе­ние высокотвердого поверхностного слоя при сохранении вязкой сердцевины достигается последующей (после насыщения углеродом) закалкой и низким от­пуском. После термообработки поверхностный слой изделия состоит из высоко­углеродистого мартенсита, сердцевина - из низкоуглеродистого вязкого мартен­сита (при достаточной прокаливаемости) или сохраняет ферритно-перлитную структуру доэвтектоидной стали.

ХТО, состоящую в диффузионном насыщении поверхностного слоя азотом и углеродом и проводимую в расплавленных солях, содержащих группу CN, на­зывают цианированием.

Если насыщение азотом и углеродом осуществляется в газовой фазе, со­стоящей из азот- и углеродсодержащих газов, то такая химико-термическая обра­ботка называется нитроцементацией.

 

Вопросы для контроля

1. Дать определение термической обработки сплавов.

2. Виды термической обработки для повышения твердости и прочности углеродистой стали.

3. Какая обработка позволяет повысить твердость и прочность поверхностного слоя стального изделия?

4. Дать определение закаливаемости и прокаливаемости стали.

5. Как называется термическая обработка стали, состоящая в нагреве, выдержке и последующем охлаждении вместе с печью?

6. Что такое карбюризатор?

 

5.3. Легированные стали. Классификация и маркировка.

 

По химическому составу стали классифицируют на нелегированные (углеродистые) и легированные. Последние в свою очередь под­разделяют на хромистые, никелевые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и т.д. Классификационным признаком является наличие в стали тех или иных легирующих элементов.

По равновесному составу стали классифицируют на доэвтектоидн ы е, содержащие менее 0,8% С, эвтектоидные (0,8 % С), з а э в т е к т оидные (более 0,8%С) и ледебуритные. Последние представляют собой высоколегированные сплавы, в литой структуре которых имеется эвтектика.

По степени раскисленности стали классифицируют на кипящие (рас­кисленные только марганцем), полуспокойные (раскисленные марганцем и кремнием) и спокойные (раскисленные марганцем, кремнием и алюмини­ем). Кипящие стали характеризуются пониженной плотностью отливки, низким содержанием кремния и повыш енной п л астичность ю. Спокойные стали дают плотную отливку. Полуспокойные - занимают промежуточное положение между кипящими и спокойными. Кипящие стали обозначают индексом кп, полуспокой­ные - пс, спокойные - сп.

По качеству стали подразделяют на стали обыкновенного каче­ства, качественные, высококачественные и особовысококачественные. Основным критерием качества является содержание в стали с еры и фо сфора. Например, в качественных сталях предельное содержание S и Р не должно превышать 0,035 % (каждого элемента), в высококачественных -0,025 %.

По назначению стали классифицируют на конструкционные, ин­струментальные и стали с особыми свойствами.

Стали обыкновенного качества маркируют буквами Ст и однозначным чис­лом 0, 1,2, 6 - номером сплава. Чем число больше, тем выше среднее содер­жание углерода в стали. Информацию о количественном химическом составе сплава марка не содержит. После цифры может стоять индекс раскисленности. Например, Ст6сп - сталь обыкновенного качества спокойная номер 6.

Углеродистые конструкционные качественные стали маркируют двузнач­ным числом, показывающим среднее содержание углерода, выраженное в сотых долях процента. Например, сплав марки 30 соответствует качественной стали, содержащей 0,30 % углерода. Иногда марки низ коуглеродистых ст алей содержат индекс раскисленности кп или пс (спокойные стали маркируют без индекса) Например 08кп - углеродистая конструкционная качественная кипящая сталь, со­держащая 0,08 % углерода.

Низкоуглеродистые листовые стали 05, 08, 10 используют, главным обра­зом, для изделий, получаемых холодной штамповкой (холоднодеформируемые стали). Низкоуглеродистые стали 15, 20, 25 чаще применяют для деталей, упроч­няемых цементацией (цементуемые стали). Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50, 55 используют для самых разнообразных деталей машиностроения в улучшенном, нормализованном или поверхностно закаленном состоянии (улуч­шаемые стали).

Высокоуглеродистые стали 60, 65, 70, 75, 80, 85 преимуществен­но применяют для изготовления силовых упругих элементов - плоских и круглых пружин, рессор, упругих колец и других деталей пружинного типа (рессорно-пружинные стали).

Углеродистые инструментальные стали маркируют буквой У (углеродистая) и числом, соответствующим содержанию углерода, выраженному в десятых до­лях процента. Например У8А - углеродистая инструментальная сталь, содержа­щая 0,8 % углерода. Буква А показывает, что сталь высококачественная.

Легированные конструкционные стали маркируют цифрами и буквами. Двузначное число, стоящее в начале марки, соответствует среднему содержанию углерода в сотых долях процента. Буквы указывают на наличие легирующих эле­ментов: Б - Nb, В - W, Г - Мп, Д - Си, Е - Se, К - Со, М - Mo, Н - Ni, П - Р, Р -В, С - Si, Т - Ti, Ф - V, X - Сг, Ц - Zr, Ч - редкоземельный элемент, Ю - А1. Чис­ло, стоящее после буквы, показывает примерное процентное содержание леги­рующего элемента, символизируемого этой буквой. Отсутствие числа указывает, что среднее содержание соответствующего элемента не превышает 1,0... 1,5 %. Буква А в конце марки показывает, что сталь высококачественная (А внутри мар­ки соответствует легирующему элементу - азоту), буква Ш - особовысококачественная. Например, сплав марки 20ХНЗА - конструкционная высококачественная сталь, содержащая (в среднем) 0,20 % С, 3 % Ni и до 1,5 % Сг.

Буква А в начале марки указывает, что сталь автоматная, т.е. обладающая хорошей обрабатываемостью резанием. Такие стали имеют повышенное содер­жание серы. Кроме того, они могут быть дополнительно легированы свинцом, селеном или кальцием. Например, А20 - сернистая автоматная углеродистая (~ 0,2 % С) сталь; АЦЗО - углеродистая (~ 0,3 % С) кальцийсодержащая с добав­ками свинца и теллура автоматная сталь; АС14ХГН - свинцовистая автоматная легированная сталь, содержащая примерно 0,14 % С, повышенное количество серы, легированная свинцом, а также хромом, марганцем и никелем (Сг, Мп и Ni до 1,0... 1,5 % каждого).

Каждый из легирующих элементов вносит определенный вклад в характе­ристики сталей. Например, никель увеличивает прокаливаемость стали и интен­ сивно сни жает температуру перехода в хрупкое состояние. Хром увеличивает прокаливаемость. При концентрации хрома 13 % и более сталь становится корро­зионно-стойкой (нержавеющей). Ванадий и титан я вляются сильными измельчителя­ми зерна. М олибден и вольфрам предотвращают развитие отпускной хрупкости и т.д.

Металлы и сплавы, способные сопротивляться коррозионному воздействию газообразной среды при высоких температурах, называются жаростойкими или окалиностойкими. Жаростойкими являются, например, высокохромистые стали 08Х17Т, 15Х25Т, 20Х23Н18.

Металлы и сплавы, способные длительное время сопротивляться деформированию и разрушению при повышенных температурах называют жаропрочными. Жаропрочными являются, например, алюминиевые сплавы АК4-1, АЛЗЗ, магниевые сплавы МА12, МЛ 19, титановые сплавы ВТЗ-1, ВТ-6, стали 10X11Н20ТЗР, 45Х14Н14В2М и др.

Мартенсит но-стареющими сталями называют безуглеродистые высо колегированные сплавы, упрочняющиеся после закалки и старения вследствие выде­ления интерметаллидных фаз. Например, мартенситно-стареющими являются стали 03Н18К9М5Т, 03Н12К15М10, 03X11Н10М2Т.

Легированные инструментальные стали обычно маркируют однозначным числом, указывающим на среднее содержание углерода, выраженное в десятых долях процента, и буквами, обозначающими легирующие элементы. Например, сплав 5ХНМ - качественная инструментальная сталь, содержащая в среднем 0,5 % углерода; хром, никель и молибден в количествах до 1,5 % каждого. Если сплав содержит около 1 % углерода, то число в начале марки не ставится, например, В2Ф (1 % С, 2 % W и не более 1 % V), Х12 (1 % С и 12 % Сг).

 

Вопросы для контроля

1. Что является основным критерием для разделения сталей по качеству?

2. К какой категории по качеству принадлежит сталь Ст6сп?

3. Какой из сплавов Ст3сп или сталь 30 содержит больше углерода?

4. Какие элементы чаще всего используют для легирования сталей?

5. Расшифровать марки сталей: ШХ15СГ, 15ХСНД, Р6М5Ф, АС35Г2.

6. К какой группе материалов относится сплав марки А20?

7.Даны две марки сталей: 40Х9С2 и 40Х13. Какая из них коррозионностойкая?

 

Раздел 6. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫИ СПЛАВЫ

6.1. Медь и сплавы на основе меди

 

Медь - металл красноватого цвета с ГЦК кристаллической решеткой. Плот­ность Си равна 8890 кг/м³. При 1083 °С медь плавится. Она обладает высокой электро- и теплопроводностью, коррозионно-стойка в сухой атмосфере (Си при­мыкает к группе благородных металлов). Механические свойства меди характе­ризуются высокой пластичностью и невысокими прочностью и твердостью.

В технике наряду с чистой медью широко используются ее сплавы. Наи­большее распространение получили сплавы меди с цинком, называемые латунями, и сплавы с другими элементами (Sn, Si, Al, Be и т. д.), получившие название бронзы.

Цинк растворяется в меди до концентрации 39 %, образуя твердый раствор а (соответствующие ему сплавы называют α-латунями). Чем больше в α-латуни цинка, тем выше прочность и пластичность сплава. Увеличение концентрации Zn сверх 39 % приводит к появлению в структуре сплава фазы β-твердого раствора на базе химического соединения CuZn с электронным типом связи. Прочность сплавов α + β по мере возрастания содержания цинка увеличивается, а пластич­ность убывает. При концентрации Zn более 45 % сплав становится однофазным твердым раствором β. Такие сплавы хрупки и практического применения не имеют.

Кроме основных компонентов (Си и Zn) латунь может содержать легирую­щие элементы (Al, Fe, Pb, Sn и т.д.).

Деформируемые латуни маркируют буквой Л и следующими за ней обозна­чениями легирующих элементов, если таковые имеются. Затем следуют группы чисел, первое из которых указывает на концентрацию меди, а каждое из после­дующих - на содержание соответствующего легирующего элемента. Концентра­ция цинка определяется по разности. Например, сплав Л62 содержит 62 % Си и 38 % Zn; ЛАН59-3-2 содержит 59 % Си, 3 % А1, 2 % Ni и 36 % Zn.

В марках литейных латуней в явной форме указывается содержание цинка (содержание меди определяют по разности). Числа, соответствующие процентной концентрации цинка и легирующих элементов, следуют непосредственно за бук­венными символами. Например, сплав ЛЦ40МцЗА содержит 40 % Zn, 3% Мп, 1 %А1, и 56% Си.

Принципы маркировки бронз в общем близки с маркировкой латуней. Раз­личия состоят в том, что на первом месте в марке пишут не Л, а Бр, кроме того, ни в деформируемых, ни в литейных сплавах не указывают в явной форме кон­центрацию меди, имея в виду, что она всегда является основой сплава. Например, сплав БрОЦС 4-4-17 - деформируемая бронза, содержащая 4% Sn, 4 % Zn, 17 % Pb, основа сплава - медь; сплав БрОЗЦ12С5 - литейная бронза, содержащая 3 % Sn, 12 % Zn, 5 % Pb, основа сплава Си.

Сплавы меди широко применяют для изделий, обладающих высокой тепло­проводностью (различная теплообменная аппаратура, например, сплавы Л62, Л68), электрической проводимостью (контакты, детали реле, токопроводящая арматура и др.), коррозионной стойкостью (паровая и водяная арматура, напри­мер, морская латунь ЛО70-2, бронзы Бр05Ц5С5, БрОЗЦ7С5Н). Оловянистые, оловянисто-цинково-свинцовистые, алюминиевые, свинцовистые бронзы, крем­нистые и марганцовистые латуни, например, БрО10Ф1, БрСЗО, ЛЦ16К4 приме­няют для изготовления вкладышей подшипников скольжения. Бериллиевые брон­зы, например БрБ2, применяют для изготовления ответственных пружин, мем­бран, пружинящих контактов.

 

 

6.2. Алюминий и сплавы на его основе

 

Алюминий - легкий металл (плотность 2700 кг/м³) белого цвета с ГЦК кри­сталлической решеткой. Температура плавления А1 660 °С. Обладает высокой электро- и теплопроводностью, высокой химической активностью и одновремен­но исключительной коррозионной стойкостью, объясняемой образованием на поверхности тонкой прочной беспористой оксидной пленки А1₂0₃, надежно за­щищающей металл от дальнейшего окисления. Механические свойства алюминия характеризуются низкими прочностью и твердостью и высокой пластичностью.

Сплавы на основе алюминия обладают малой плотностью, высокими удель­ными механическими свойствами, высокой коррозионной стойкостью, сваривае­мостью и т.д.

Алюминиевые сплавы классифицируют на деформируемые (в их структуре отсутствует эвтектика), литейные (сплавы с эвтектикой), неупрочняемые терми­ческой обработкой (нагрев таких сплавов не сопровождается твердофазными превращениями), упрочняемые термической обработкой (сплавы с твердофаз­ными превращениями). Кроме того, сплавы подразделяют на жаропрочные, вы­сокопрочные, ковочные, сплавы для заклепок и т.д.

Деформируемыми сплавами, неупрочняемыми термообработкой, являются сплавы на основе системы Al-Mg (магналии), например, АМг2, АМгЗ, АМг6; сплавы системы А1-Мп, например, АМц.

Важнейшими деформируемыми сплавами, упрочняемыми термической об­работкой, являются:

сплавы на основе системы Al-Cu-Mg с добавками Мп (дюралюмины), на­пример, Д1, Д16, ВД17, Д18, Д19, В65 (сплав ВД17 жаропрочный, Д18 и В65 -сплавы для заклепок);

сплавы на основе системы Al-Mg-Si (авиали), например, АВ, АД31, АД35;

ковочные сплавы на основе системы Al-Mg-Si-Cu, например, АК6, АК8, на основе системы Al-Cu-Mg с добавками Fe и Ni, например, АК4-1 (сплав жаро­прочный);

высокопрочные сплавы на основе системы Al-Zn-Mg-Cu, например, В93, В95, В96Ц. К высокопрочным сплавам относится сплав, на основе системы А1-Си-Li,-ВАД23.

Литейными сплавами являются сплавы, на основе систем AI-Si (силумины), например, АК12 (АЛ2), АК7ч (АЛ9); Al-Cu, например, АЛ19, АЛЗЗ; Al-Mg, на­пример, АЛ8, АМг10 (АЛ27).

В соответствии с новой цифровой системой маркировки А1 сплавов едини­ца, стоящая в начале марки, характеризует основу сплава - алюминий. Вторая цифра обозначает основной легирующий элемент или группу элементов. Третья или третья и вторая цифры те же, что и в старой маркировке. Нечетное число или ноль, стоящие на четвертом месте, обозначают деформируемый сплав. У литей­ных сплавов четвертая цифра четная. При такой маркировке сплав Д16, напри­мер, обозначается 1160.

Чистота сплавов по контролируемым примесям (Fe, Si и др.) обозначается буквами: пч (практически чистый), ч (чистый), оч (очень чистый), стоящими по­сле марки сплава, например, АМг5оч.

Состояние деформируемых сплавов, отражающее термическое и термоме­ханическое воздействие, имеет обозначения: М - мягкий, отожженный; Т - зака­ленный и естественно состаренный; Т1 - закаленный и искусственно состарен­ный на максимальную прочность; Н - нагартованный (деформация 1... 7 %); HI или НН - усиленно нагартованный; ТН - закаленный, естественно состаренный и нагартованный. Например, АК6Т1 - обозначение закаленного и искусственно состаренного деформируемого (ковочного) алюминиевого

сплава АК6, АМг2Н1 ­обозначение усиленно нагартованного деформируемого неупрочняемого терми­ческой обработкой сплава АМг2.

Термическое упрочнение алюминиевых сплавов достигается закалкой и по­следующим старением. Обосновать режимы термообработки таких сплавов как дюралюмины можно, в первом приближении, рассматривая их как сплавы систе­мы Al-Cu (в дюралюминах медь главный легирующий элемент). Свежезакален­ные сплавы имеют довольно низкую твердость и прочность, высокую пластич­ность. При длительном пребывании закаленного сплава при нормальной темпера­туре (естественное старение) или при сравнительно непродолжительном нагреве (искусственное старение) атомы легирующих элементов (в сплавах системы Al-Cu - атомы меди), расположенные в свежезакаленном сплаве случайно, собира­ются в определенных местах кристаллической решетки, образуя участки повы­шенной концентрации - зоны Гинье-Престона. В результате естественного ста­рения образуются зоны толщиной 0,5... 1 нм и протяженностью 3... 6 нм (их называют зоны ГП-1), вызывая упрочнение сплава.

Если естественно состаренный сплав подвергнуть кратковременному нагре­ву до 250... 270 °С, то зоны ГП растворяются и сплав возвращается в свежезака­ленное состояние с характерными для него свойствами (низкой твердостью и высокой пластичностью). Это явление получило название возврат. После возврата сплав может быть вновь упрочнен при естественном или искусственном старении.

При искусственном старении зоны Гинье-Престона укрупняются, достигая 1... 4 нм по толщине и 20... 30 нм по протяженности (зоны ГП-2). Концентрация меди в них приближается к стехиометрическому соотношению в соединении СиА1₂. Дальнейшее развитие процессов искусственного старения приводит к об­разованию метастабильных когерентно связанных с твердым раствором, а затем стабильных обособленных от раствора фаз. Скорость искусственного старения зависит от температуры. Повышение температуры ускоряет процесс. Однако в сплавах системы Al-Cu с 3... 5 % меди получаемая при этом максимальная проч­ность тем ниже, чем выше температура старения. Наибольшее упрочнение полу­чают при естественном старении в результате образования зон ГП-1. Не всегда максимум прочности достигается естественным старением, более того, во многих высокопрочных сплавах (В93, В95 и др.) естественное старение не протекает во­обще (упрочнения при длительной выдержке при нормальной температуре не происходит).

 

6.3. Титан и сплавы на его основе

 

Титан существует в двух аллотропических модификациях. Ниже 882 °С су­ществует а-титан, обладающий ГПУ кристаллической решеткой. При более вы­соких температурах вплоть до температуры плавления (1665 °С) Ti существует в модификации р с ОЦК решеткой. Титан может быть отнесен как к тугоплавким металлам (температура плавления выше, чем у Fe), так и к легким (плотность Ti ~ 4500 кг/м³). По химической стойкости он не уступает корозионно-стойким (не­ржавеющим) сталям, а в ряде случаев превосходит их.

Титановые сплавы наиболее широко применяют в авиации и ракетной тех­нике для изготовления деталей, работающих при температурах 250... 550 °С, когда легкие алюминиевые сплавы уже не могут работать, а стали и никелевые сплавы уступают им по удельной прочности.

Для повышения прочности титановые сплавы легируют марганцем, желе­зом, алюминием, молибденом, хромом, ванадием, оловом и другими элементами. Элементы, расширяющие область существования α-модификации титана и по­вышающие температуру α → β перехода, называют α-стабилизаторами. Важней­шим элементом этой группы является А1. Элементы, расширяющие область су­ществования β-модификации титана и снижающие температуру полиморфного превращения, называют β-стабилизаторами. Важнейшими из них являются Мо, V, Cr, Mn, Fe, Ni и др. Способность β-фазы к переохлаждению лежит в основе термической обработки титановых сплавов. Элементы, практически не влияющие на температуру полиморфного превращения, называют нейтральными. Наиболь­шее практическое значение из них имеют Sn и Zr.

По структуре в отожженном состоянии титановые сплавы подразделяют на пять групп: α-сплавы (ВТ1-0, ВТ5 и др.); псевдо α-сплавы (ОТ4, ВТ4, ВТ18 и др.); (α+β)-сплавы (ВТ6, ВТЗ-1, ВТ22 и др.); псевдо β-сплавы (ВТ15, ТС6 и др.); β-сплавы (4201 и др.).

α-сплавы характеризуются однофазной структурой. Они не упрочняются термической обработкой. Повышение их прочности достигается холодной пла­стической деформацией.

Псевдо α-сплавы могут закаливаться с образованием титанового мартенсита α', представляющего собой твердый раствор легирующих в α-титане. Мартенсит в псевдо α-сплавах имеет малую степень пересыщения. Упрочнение сплава при этом незначительно.

(α + β)-сплавы подвергают упрочняющей термической обработке, состоя­щей из закалки и старения. Закалка состоит в нагреве до температур, несколько ниже полного превращения α + β→β(вβ→ состоянии происходит интенсивный рост зерна), выдержке и последующем быстром охлаждении.

β-сплавы при всех температурах имеют структуру β-фазы. Термической об­работкой неупрочняются.

 

6.4. Магний и сплавы на его основе

 

В ряду технических легких металлов (Al, Be, Mg, Ti) наиболее легким явля­ется магний. Его плотность - около 1740 кг/м³, температура плавления 651 °С. Он обладает ГПУ кристаллической решеткой. Mg - активный металл, энергично взаимодействующий с кислородом воздуха. Тонкая пленка оксида MgO при тем­пературе ниже 450 °С предохраняет поверхность от дальнейшего окисления, од­нако, при более высоких температурах защитные свойства оксида нарушаются, и при 623 °С магний сгорает ослепительно ярким пламенем. Магний обладает весьма низким, особенно в литом состоянии, комплексом механических свойств (а_в = 100... 120 МПа; а_0>2 = 20... 30 МПа; 5 = 6... 8 %; 300 НВ; Е = 45 ГПа). Проч­ностные свойства в значительной мере зависят от зернистости и дефектности литой структуры. Низкая пластичность Mg объясняется тем, что в металлах с гексагональной кристаллической структурой при температуре, близкой к нор­мальной, скольжение происходит только по базисным плоскостям и лишь при нагреве появляются дополнительные плоскости скольжения и двойникования.

К достоинствам магниевых сплавов относятся высокие удельные механиче­ские свойства, хорошая обрабатываемость резанием, отличные демпфирующие свойства, высокая коррозионная стойкость в щелочах, керосине, бензине, мине­ральных маслах (для предотвращения воздушной коррозии магниевые сплавы оксидируют или покрывают лакокрасочными пленками, эпоксидной смолой).

Сплавы магния легируют марганцем, алюминием, цинком, цирконием, ли­тием, бериллием, редкоземельными элементами. Мп повышает коррозионную стойкость сплава и одновременно увеличивает его прочность. А1 и Zn увеличи­вают прочность и модифицируют (измельчают) структуру литых сплавов. Наибо­лее интенсивно измельчает зерно Zr, кроме того, он увеличивает пластичность. Значительно увеличивает пластичность Li, к тому же он снижает плотность спла­ва. Введение малых количеств Be (0,005... 0,02 %) почти полностью исключает воспламенение магния при нагреве. РЗЭ увеличивают сопротивление ползучести. сплава при высоких температурах (до 250 °С).

Для упрочнения магниевых сплавов широко используется эффект диспер­сионного твердения с выделением дисперсных фаз типа Mg4Al₃, MgZn₂ и др., протекающего при искусственном старении закаленных сплавов. Диффузионные процессы в магниевых сплавах протекают чрезвычайно медленно, поэтому опе­рации термообработки имеют большую продолжительность (время выдержки при температуре закалки доходит до 24 ч). Охлаждение при закалке ведут в горячей воде или на воздухе.

Основные виды термической обработки имеют определенные условные обозначения. Отжиг обозначают Т2, закалку - Т4, закалку и старение для получе­ния максимальной твердости - Т6, закалку и стабилизирующий отпуск - Т7 и т.д.

Например, МА11Т4 означает деформируемый магниевый сплав МАИ, подверг­нутый закалке.

По технологии изготовления магниевые сплавы подразделяют на литейные и деформируемые (литейные маркируют буквами МЛ, деформируемые - МА). По применению сплавы классифицируют на конструкционные (большинство спла­вов) и сплавы со специальными свойствами (например, МА17 применяют для изготовления звукопроводов ультразвуковых линий задержки). По плотности сплавы подразделяют на легкие и сверхлегкие. К сверхлегким относятся сплавы, легированные литием (МА18, МА21), остальные - легкие.

 

 

6.5. Бериллий

 

Бериллий относится к группе легких металлов (плотность 1800 кг/м³). Он имеет две аллотропические модификации. Ве_α обладает ГПУ кристаллической решеткой и существует до 1250 °С. От 1250 °С до температуры плавления (1284 °С) бериллий существует в модификации β с ОЦК решеткой.

У бериллия очень высокие удельные прочность и жесткость. По этим харак­теристикам, особенно по удельной жесткости, Be значительно превосходит высо­копрочные стали и сплавы на основе алюминия, магния, титана. Бериллий обла­дает большой скрытой теплотой плавления и очень высокой скрытой теплотой испарения. Высокие тепловые и механические свойства позволяют использовать бериллий в качестве теплозащитных и конструкционных материалов космиче­ских летательных аппаратов (головные части ракет, тормозные устройства кос­мических челноков, оболочки кабин космонавтов, камеры сгорания ракетных двигателей и т.д.). Высокая удельная жесткость в сочетании со стабильностью размеров, высокой теплопроводностью и др. свойствами дают возможность ис­пользовать бериллий при создании высокоточных приборов (детали инерциаль-ных систем навигации - гироскопов и др.).

Широкое применение бериллия сдерживается высокой стоимостью, связан­ной с малой распространенностью в природе, сложностью технологии переработ­ки руд и изготовления деталей, токсичностью металла.

 

6.6. Баббиты

 

Сплавы цветных металлов широко применяются в качестве антифрикцион­ных (подшипниковых) материалов. Они обладают гетерогенной структурой, со­стоящей из мягкой основы с равномерно распределенными включениями твердых частиц (баббиты, ряд сплавов на основе меди, цинковые антифрикционные спла­вы) или из твердой основы и мягких включений (свинцовистая бронза, оловянистый алюминий).

Баббиты, например, Б83, Б16, БКА - сплавы на основе олова (Б83) или свинца (Б16 - с добавкой Sn, БКА - безоловянистый). Применяют баббиты для изготовления вкладышей подшипников скольжения быстроходных тяжелонагруженных машин (Б83, Б88), автомобильных моторов (Б16), подшипников вагонов (БКА, БК2).

Алюминиевые подшипниковые сплавы, например А09-2, АО20-1, работают в условиях высокой энергонапряженности (при высоких давлениях и скоростях скольжения).

Несколько уступает по антифрикционным свойствам алюминиевым сплавам свинцовистая бронза БрСЗО. Бронзу Бр05Ц5С5, латунь ЛЦ16К4 и др. применяют в качестве антифрикционных материалов при невысоких скоростях скольжения (1... 3 м/с)

 

Вопросы для контроля

1. Основные характеристики меди.

2. Что такое латунь?

3. Как называется сплав марки Л62? Каков его химический состав?

4. Как называют сплавы меди с другими элементами?

5. Основные характеристики алюминия.

6. К какой группе принадлежат алюминиевые сплавы типа АМг, АМг6?

7. Как называется сплав марки Д16, его химический состав?

8. Основные характеристики титана.

9. Какое свойство делает титановые сплавы особенно ценными при создании летательных аппаратов?

10. Какие свойства магниевых сплавов позволяют эффективно применять их как конструкционные материалы?

11. Что такое баббит?

12. Для изготовления каких деталей применяют сплав Б83?

 

 

Раздел 7. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

 

7.1. Быстрорежущие стали

 

Быстрорежущие стали представляют собой высоколегированные инстру­ментальные сплавы ледебуритного класса. Для повышения структурной одно­родности литую сталь подвергают горячей обработке давлением, дробящей сетку эвтектики. В структуре прокованной и отожженной стали просматриваются крупные первичные карбиды - осколки ледебуритной эвтектики, мелкие вторич­ные карбиды, выделившиеся в литой стали из аустенита при охлаждении сплава в интервале температур между эвтектическим и эвтектоидным превращениями, и очень мелкие эвтектоидные карбиды, входящие в сорбитный фон.

Высокая теплостойкость (красностойкость) быстрорежущих сталей дости­гается термической обработкой с получением высоколегированного мартенсита, способного сопротивляться отпуску вплоть до 600... 650 °С и, следовательно, сохранять до этих температур высокую твердость, прочность, износостойкость. Степень легированности мартенсита определяется составом исходного аустенита. Чем выше температура нагрева, тем больше легирующих элементов (W, Мо, V), входящих в состав вторичных карбидов, растворяется в аустените. Поэтому бы­строрежущие стали нагревают при закалке до 1200... 1300 °С. Первичные карби­ды в аустените не растворяются, но сдерживают рост аустенитных зерен, блоки­руя их границы. Быстрорежущие стали обладают весьма низкой теплопроводно­стью, поэтому их нагрев до температуры закалки ведут ступенчато с одной-двумя температурными остановками, что позволяет предупредить появление трещин. Высокая легированность аустенита предопределяет довольно низкие температу­ры начала и конца мартенситного превращения, обусловливающие, в свою оче­редь, сохранение при закалке значительных количеств (более 30 %) остаточного аустенита, понижающего режущие свойства стали. Уменьшение содержания ос­таточного аустенита достигается двух-трехкратным высоким отпуском.

При отпуске из остаточного аустенита выделяются карбиды легирующих элементов, что влечет за собой повышение температуры мартенситного превра­щения, и при охлаждении аустенит превращается в мартенсит. Для уменьшения количества остаточного аустенита иногда закаленную сталь охлаждают в область отрицательных температур (-80 °С), что также способствует увеличению количе­ства мартенсита.

Быстрорежущие стали маркируют буквой Р, после которой следует число, указывающее на содержание вольфрама в процентах. В остальном маркировка такая же, как у легированных инструментальных сталей. Например, Р18 (18 % W), Р6М5 (6 % W, 5 % Мо), Р18К5Ф2 (18 % W, 5 % Со, 2 % V).

 

7.2. Твердые сплавы

 

Твердые сплавы - это инструментальные материалы, состоящие из частиц карбидов тугоплавких металлов (WC, TiC, ТаС), объединенных металлическим связующим компонентом (кобальтом), изготавливаемые методом порошковой металлургии. Твердые сплавы обладают высокой твердостью (до 90... 92 HRA), износостойкостью, красностойкостью (900... 1100°С).

Существуют сплавы следующих групп: вольфрамовые, титановольфрамо-вые и титанотанталовольфрамовые.

Вольфрамовые сплавы, например, ВК2, ВК8, ВК15, ВК25 состоят из карби­дов вольфрама и металлического кобальта (число, стоящее в марке сплава после буквы К, указывает на процентное содержание кобальта). Чем больше в сплаве карбида вольфрама, тем сплав тверже, но тем более он хрупок. Вязкость сплава, дающая возможность воспринимать ударные нагрузки, обеспечивается кобаль­том. Сплав ВК2, содержащий всего 2 % кобальта, обладает весьма низкой вязко­стью. Им можно вести лишь чистовую обработку, не сопровождающуюся дина­мическими нагрузками. Твердость же и износостойкость сплава настолько высо­ки, что позволяют обрабатывать закаленные стали. Сплав ВК8 более вязок, но менее тверд, менее износостоек и красностоек. Этим сплавом можно обрабаты­вать отливки по литейной корке. Сплав ВК15 может быть использован для арми­рования бурового инструмента, работающего по крепким породам со значитель­ными ударными нагрузками. Сплав ВК25 настолько вязок, что из него можно изготавливать детали штампов, воспринимающих удары, возникающие при рабо­те молота.

Титановольфрамовые сплавы, например, Т5К10, Т15К6, Т30К4 изготавли­вают из карбидов титана, карбидов вольфрама и металлического кобальта. В мар­ке сплава число, стоящее после буквы Т, указывает на содержание в шихте сплава карбида титана в процентах; число, после К, - содержание кобальта. Содержание карбида вольфрама определяют по разности. Так, в шихте твердого сплава Т5К10 содержится 5 % TiC, 10 % Со и 85 % WC. Карбид титана обладает еще более вы­сокой твердостью, чем карбид вольфрама. Чем больше в сплаве TiC (точнее твер­дого раствора карбида вольфрама в карбиде титана), тем большей твердостью и износостойкостью обладает сплав. Наиболее тверд сплав Т30К4. Сплавы с боль­шим содержанием кобальта (Т15К6, Т5К10) менее тверды, но обладают большей эксплуатационной прочностью. Применяют титановольфрамовые сплавы глав­ным образом для обработки сталей.

Титанотанталовольфрамовые сплавы изготавливают из карбидов титана, карбидов тантала, карбидов вольфрама и металлического кобальта. Например, шихта сплава ТТ7К12 содержит 7 % карбидов титана и тантала, 81 % карбида вольфрама и 12 % кобальта. Применяют титанотанталовольфрамовые сплавы для черновой (например, сплав ТТ7К12) и чистовой (например, сплав ТТ8К6) обра­ботки труднообрабатываемых материалов (жаропрочных сталей, титановых спла­вов и др.).

 

Вопросы для контроля

1. К какому классу по равновесной структуре относятся быстрорежущие стали?

2. Что такое красностойкость быстрорежущих сталей?

3. До каких ориентировочно температур следует нагревать быстрорежущие стали при закалке?

4. Расшифровать марку стали Р18К5Ф2.

5. Какова роль кобальта в твердом сплаве?

6. Какова роль карбида вольфрама (WC), входящего в состав твердых сплавов?

7. Расшифровать сплав Т15К6.