Отпуск стали

Отпуск стали смягчает действие закалки, уменьшает или снимает остаточные напряжения, повышает вязкость, уменьшает твердость и хрупкость стали. Отпуск производится путем нагрева деталей, закаленных на мартенсит до температуры ниже критической. При этом в зависимости от температуры нагрева могут быть получены состояния мартенсита, троостита или сорбита отпуска. Эти состояния несколько отличаются от соответственных состояний закалки по структуре и свойствам: при закалке цементит (в троостите и сорбите) получается в форме удлиненных пластинок, как в пластинчатом перлите. А при отпуске он получается зернистым, или точечным, как в зернистом перлите.

Преимуществом точечной структуры является более благоприятное сочетание прочности и пластичности. При одинаковом химическом составе и одинаковой твердости сталь с точечной структурой имеет значительно более высокое относительное сужение y и ударную вязкость а_н, повышенное удлинение d и предел текучести s_т по сравнению со сталью с пластинчатой структурой.Мартенсит закалки имеет неустойчивую тетрагональную решетку, а мартенсит отпуска – устойчивую центрированную кубическую решетку a-железа.

Отпуск разделяют на низкий, средний и высокий в зависимости от температуры нагрева.

При низком отпуске (нагрев до температуры 200-300°) в структуре стали в основном остается мартенсит, который, однако, изменяется решетку. Кроме того, начинается выделение карбидов железа из твердого раствора углерода в a-железе и начальное скопление их небольшими группами. Это влечет за собой некоторое уменьшение твердости и увеличение пластических и вязких свойств стали, а также уменьшение внутренних напряжений в деталях. Для низкого отпуска детали выдерживают в течение определенного времени обычно в масляных или соляных ваннах. Если для низкого отпуска детали нагревают на воздухе, то для контроля температуры часто пользуются цветами побежалости, появляющимися на поверхности детали. Появление этих цветов связано с интерференцией белого света в пленках окисла железа, возникающих на поверхности детали при ее нагреве. В интервале температур от 220 до 330° в зависимости от толщины пленки цвет изменяется от светло-желтого до серого. Низкий отпуск применяется для режущего, измерительного инструмента и зубчатых колес.

При среднем (нагрев в пределах 300-500°) и высоком (500-700°) отпуске сталь из состояния мартенсита переходит соответственно в состояние троостита или сорбита. Чем выше отпуск, тем меньше твердость отпущенной стали и тем больше ее пластичность и вязкость. Происходящее при этом изменение свойств стали можно проследить по кривым диаграммы, приведенной на рис. 4. При высоком отпуске сталь получает наилучшее сочетание механических свойств, повышение прочность, пластичность и вязкость, поэтому средний отпуск стали после закалки ее на мартенсит назначают для кузнечных штампов, пружин, рессор, а высокий – для многих деталей, подверженных действию высоких напряжений (например, осей автомобилей, шатунов двигателей).

Для некоторых марок стали отпуск производят после нормализации. Этот относится к мелкозернистой легированной доэвтектоидной стали (особенно никелевой), имеющий высокую вязкость и поэтому плохую обрабатываемость режущим инструментом. Для улучшения обрабатываемости производят нормализацию стали при повышенной температуре (до 950-970°С), в результате чего она приобретает крупную структуру (определяющую лучшую обрабатываемость) и одновременно повышенную твердость (ввиду малой критической скорости закалки никелевой стали). С целью уменьшения твердости производят высокий отпуск этой стали.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ

1. Что такое термическая обработка?

Критические точки при нагреве стали: Ас₁, Ас₃, Ас_cm.

2. Проанализировать превращения при нагреве доэвтектоидной стали.

3. Проанализировать превращения при нагреве заэвтектоидной стали.

4. Почему величина зерна является основным контрольным показателем качества термообработки?

5. Диаграмма изотермического распада аустенита для стали с 0,8 % С.Что означают все линии на этой диаграмме? Три типа превращения переохлажденного аустенита.

6. Перлитное превращение: механизм, условия, продукты превращения.

7. Мартенситное превращение: механизм, условия, продукт превращения.

8. Что происходит с мартенситом при нагреве? Какие структуры образуются в результате распада мартенсита?

9. Отжиг: сущность, цель и разновидности.

10. Нормализация: сущность и цель.

11. Закалка стали: сущность и цель.

12. Разновидности закалки по температуре нагрева и способам охлаждения.

13. Виды брака при закалке.

14. Поверхностная закалка стали.

15. Понятие закаливаемостии прокаливаемостистали.

16. Отпуск стали: сущность, цель, виды отпуска.

ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Процесс химико-термической обработки стали применяется с целью изменения химического состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали, влияющих на износостойкость трущихся поверхностей, стойкость их против коррозии или жаростойкость при сохранении достаточной вязкости сердцевины. Недостатком химико-термической обработки является большая продолжительность процесса, составляющая от нескольких часов до десятков часов.

Химико-термическая обработка основана на высокотемпературной диффузии, т. е. проникновении с поверхности детали внутрь ее атомов различных элементов при высокой температуре. Она протекает в виде трех элементарных процессов.

Первый процесс — диссоциация — состоит в распаде молекул и образовании активных атомов диффундирующего элемента

Второй процесс — адсорбция — происходит на границе металла и состоит в поглощении его поверхностью свободных атомов.

Третий процесс — диффузия — характеризуется проникновением насыщенного элемента в глубь металла. В результате образуется диффузионный слой (твердый раствор или химическое соединение) с различной концентрацией диффундирующего элемента по мере удаления от поверхности металла

В зависимости от того, каким элементом насыщают поверхностный слой, различают следующие, наиболее применяемые для автомобильных деталей виды химико-термической обработки: цементация, азотирование, цианирование и диффузионная металлизация.

Цементация представляет процесс поверхностного насыщения стали углеродом при нагреве в среде углеродсодержащих газов (газовая цементация) или в твердом карбюризаторе (твердая цементация). В результате у деталей образуется поверхностный цементированный слои толщиной 0, 5—2, 5 мм с повышенным содержанием углерода, благодаря чему они приобретают высокую поверхностную твердость и износостойкость при мягкой и вязкой сердцевине. У таких деталей повышается также усталостная прочность. Однако твердость цементированного слоя заметно снижается при нагреве уже до 200—250 °С.

После цементации детали подвергают закалке и низкому отпуску. В итоге структура поверхностных слоев цементированных деталей состоит из мартенсита и цементита, а внутренних слоев — из смеси феррита и перлита или феррита и сорбита Цементации подвергают шестерни коробок передач и задних мостов. Газовая цементация является основным видом цементации. Она осуществляется в герметичных нагревательных печах в течение 6—12 ч при температуре

930—950 °С, куда непрерывно подается чаше всего эндотермический газ (эндогаз) и метан. В результате диссоциации последних образуется атомарный углерод, проникающий в поверхностный слой детали, концентрацию которого можно строго регулировать.

Твердая цементация происходит в нагревательных печах в герметичных стальных ящиках, заполненных смесью древесного активированного угля, ускорителей процесса и деталями при температуре 910— 930 °С. Вначале образуется окись углерода (СО), которая затем диссоциирует, создавая двуокись углерода (СО2) и атомарный углерод, диффундирующий в поверхностные слои деталей.

Азотирование стали — процесс диффузионного насыщения азотом в атмосфере среднеуглеродистых сталей, содержащих легирующие элементы при температуре 500—700 °С в герметичной печи. Выделяющийся при этом атомарный аммиак диффундирует в поверхностный слой, где, растворяясь в феррите и, взаимодействуя с легирующими элементами, образует нитриды AlN, VN, Cr₂N, WN и др., создавая высокую поверхностную твердость, износостойкость, усталостную прочность и повышенное сопротивление коррозии стальных деталей.

В отличие от цементированного слоя твердость азотированного слоя не снижается при нагреве до 600°С.

Ввиду низкой твердости после азотирования углеродистые стали подвергаются азотированию только с целью повышения противокоррозионной стойкости.

Нитроцементация заключается в насыщении поверхностного слоя стальных деталей одновременно углеродом и азотом в газовой среде при температуре 850—870 °С в течение 5—10 ч. Газовая среда представляет собой эндогаз, состоящий из азота (40 %), водорода 40 % и окиси углерода (20 %) с добавкой природного газа (5—15 %) и аммиака (5 %). Толщина нитроцементованного слоя 0, 2—0, 8 мм. После нигроцементации производится закалка и низкий отпуск.

Цианирование представляет процесс также одновременного насыщения стали углеродом и азотом, протекающий в жидких расплавленных солях, содержащих цианистый натрий NaCN при температуре 820—960 °С. Толщина цианированного слоя от 0, 3 до 2 мм. Продолжительность цианирования от 0, 5 до 6 ч.

В зависимости от температуры и состава ванны получают различную структуру и степень насыщения поверхностного слоя деталей. Недостатком цианирования является повышенная токсичность газовых выделений цианистых солеи, что обусловливает выполнение особых требований техники безопасности. По сравнению с цементирова­нием нитроцианированный и цианированный слои обладают большей сопротивляемостью износу, большей твердостью и лучшим сопротивлением коррозии, детали меньше подвержены короблению.

Диффузионная металлизация —процесс диффузионного насыщения поверхности стали различными металлами при высоких температурах в твердой, жидкой или газовой среде. При насыщении алюминием процесс называется алитированием, хромом — хромированием и т. д.

Алитирование заключается в образовании на поверхности деталей плотной пленки окиси алюминия А1₂О₃ и за счет этого обеспечение высокого сопротивления окислению в обычных условиях и при нагреве до температуры 850—900 °С.

Хромирование также повышает коррозионную стойкость при обычных температурах и нагреве до 800 °С. Кроме того, повышается твердость и износостойкость высокоуглеродистых сталей.

КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ И СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ ОТ НЕЁ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

Коррозия — это разрушение металлов и сплавов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с внешней (коррозионной) средой. При этом участки металла, подвергшиеся коррозионному разрушению, полностью теряют свои механические свойства.

В результате коррозии ежегодно теряется от 1 до 1, 5 % всего используемого металла. Прямые потери, связанные с воспроизводством и заменой оборудования вследствие коррозии, составляют в масштабах страны по примерной оценке 12—14 млрд. руб. в год. При этом не учтены более высокие косвенные потери от простоев и снижения производительности оборудования, подвергшегося коррозии, от нарушения нормального хода технологических процессов, от аварий, обусловленных снижением прочности металлических конструкций, и т. п. Общие потери от коррозии составляют свыше 40 млрд. руб. в год. Принято считать, что в индустриально развитых странах убытки от коррозии составляют 2—4 % национального дохода.

Большой ущерб коррозия наносит автомобильным конструкциям. Она, например, является основной причиной преждевременного выхода из строя кузовов легковых автомобилей и автобусов.

Сокращение потерь от коррозии имеет общегосударственное значение. На предприятиях, в министерствах и ведомствах функционируют специализированные противокоррозионные службы. Создан Всесоюзный межотраслевой НИИ по защите металлов от коррозии, выполняющий функции головной организации по разработке методов и средств противокоррозионной защиты.

Коррозия объясняется тем, что при ее протекании восстанавливаются химические соединения, в которых металл находится в естественных природных условиях, например в виде Fе₂0₃, Fе₃O₄, FеС0₃, А1₂0₃, СuFеS₂, Сu₂S и т. д.

Различают два вида коррозии: химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия возникает в результате воздействия на металл сухих газов при повышенной температуре (газовая коррозия) и агрессивных жидкостей не электролитов (бензин, масло, расплавы солей, сернистая нефть). При химической коррозии происходит прямое гетерогенное взаимодействие металла с окислителем окружающей среды. Примером химической коррозии может служить окисление клапанов двигателя внутреннего сгорания, топливных баков, трубопроводов деталей системы питания автомобильных двигателей.

В процессе газовой коррозии на поверхности металла образуется пленка окисла. У алюминия, хрома, никеля, свинца, олова эта пленка очень прочна и предохраняет металл от коррозии. Пленка окисла железа непрочна и является причиной проникновения коррозии вглубь. Образование окалины на деталях выпускной системы автомобильного двигателя наглядно подтверждает распространение химической коррозии в металл этих деталей. В не электролитах коррозия происходит вследствие наличия в них агрессивных соединений, разрушающих металл.

Электрохимическая коррозия является результатом воздействия на металлы различных электролитов — водных растворов кислот, щелочей, различных солей, проводящих электрический ток. Электролитической коррозией является также атмосферная коррозия, при которой влага из воздуха, содержащая СО₂, СО и другие примеси, конденсируется на поверхности металла Пыль и другие загрязнения на поверхности металла усиливают адсорбцию влаги и газов, образуется влажная пленка, являющаяся электролитом.

В условиях электролита металлы и сплавы, имеющие разную напряженность, образуют гальванические пары. Поскольку практически металлы и сплавы всегда физически и химически неоднородны (разные структурные составляющие сплава, окисные пленки), то при наличии на их поверхности электролита образуется множество микроскопических гальванических пар. При этом металл с более высоким потенциалом становится катодом, а с менее высоким — анодом. Это приводит к тому, что участки металла, представляющие аноды гальванических пар, начинают разрушаться, их атомы переходят в электролит в форме ионов, оставляя эквивалентное количество электронов в аноде. При структуре стали, состоящей из феррита и цементита в процессе электрохимической коррозии, цементит остается неизменным, а феррит, растворяясь, образует с веществом электролита ржавчину. Чем выше разность потенциалов металлов, образующих гальванические пары, степень неоднородности структур, температура и величина внутренних напряжений, тем интенсивнее коррозия. В зависимости от характера разрушения коррозия может быть: сплошная, местная и межкристаллитная (по границам зерен). Первые два вида обусловливаются химическим взаимодействием, а межкристаллитная коррозия имеет электрохимическую природу. Она наиболее опасна, так как сопровождается заметным снижением прочности сплава, и обнаружить ее по внешнему виду очень трудно.

Многие детали на автомобиле подвержены также так называемому коррозионному износу, который возникает под действием знакопеременной нагрузки и коррозионного влияния окружающей среды.

Способы защиты от коррозии автомобильных деталей могут быть разделены на следующие группы:

покрытия неметаллическими веществами;

металлические покрытия;

диффузионное насыщение поверхностного слоя;

покрытия пленками окислов (химические покрытия);

создание коррозионно-стойких сплавов;

применение ингибиторов коррозии;

использование органосиликатов.

Покрытие неметаллическими веществами — нанесение на поверхность металла красок, лаков, противокоррозионных паст, защитных смазок, пластмасс (см. гл. 15).

Металлические покрытия — нанесение металла на поверхность стального изделия горячим и гальваническим способами.

Горячий способ заключается в том, что изделие погружают в ванну с расплавленным металлом (цинкование, лужение оловом, свинцевание). На автомобилях оцинковывают кузовные и крепежные детали, покрывают оловом ленту для трубок радиатора, освинцовывают наконечники зажимов проводов электрооборудования, топливные баки и т. д.

Гальванический способ заключается в осаждении на изделие тонкого слоя металла из его соли под действием электрического тока

Например, для автомобилей применяют хромирование декоративных деталей (бамперы, ободки фар и др.).

Диффузионный способ состоит в насыщении поверхностных слоев стальной детали различными элементами, вступающими в химическое соединение. Примерами могут служить цементация, планирование, алитирование, которые широко применяются для изготовления ответственных деталей автомобиля.

Покрытие пленками окислов имеет две разновидности — оксидирование и фосфатирование.

Оксидирование (воронение) применяется для зашиты черных металлов путем создания на поверхности окисной пленки погружением деталей в кипящий водный раствор, содержащий едкий натр, селитру и перекись марганца. Полученная пленка достаточно стойка в сухом воздухе и менее стойка во влажной атмосфере и особенно в

Создание коррозионно-стойких сплавов осуществляется введением в сталь легирующих добавок хрома, никеля, алюминия, кремния, вольфрама и других элементов, повышающих сопротивление коррозии и улучшающих другие характеристики металла для ответственных деталей автомобиля (клапаны, шестерни и валы коробки передач. полуоси, распределительные валы, шаровые пальцы и др.).

Ингибиторы коррозии — это вещества, при добавке которых в агрессивную среду происходит торможение коррозии. Этим методом можно защищать практически любые металлы и почти в любых средах, включая охлаждающие жидкости, масла для двигателей, жидкое топливо. Добавляются ингибиторы в небольших количествах, напри­мер 10 — 50 г на л. бензина. Стоимость ингибиторов редко превышает 1000 руб. за тонну и их применение экономически выгодно.

Органосиликаты в исходном состоянии напоминают суспензии и наносятся на предохраняющие поверхности: кистью, валиком, пульверизатором и т. п. Подвергнутые нагреву, превращаются в керамику и приобретают повышенные защитные свойства, становясь термо- и даже жаростойкими. С их помощью удобно защищать снаружи детали системы выхлопа двигателя, где они затвердевают от самих нагретых деталей. Они быстро затвердевают и при нормальных температурах, легко обрабатываются, что позволяет в случае необходимости оперативно восстанавливать поврежденные покрытия на месте. Для получения органосиликатов используются кремний органические полимеры (лаки), пигменты, окислы, слюда, тальк, асбест.

Дата добавления: 2014-01-07