Материал: Potekhin - Metallovedeniye 2019

Электронный архив УГЛТУ

Цементация стали 20 (0,2% С), например, обеспечивает на поверхности слой, соответствующий сталям У10-У12 (содержащим 1,0 1,2 % С).

Далее проводится термическая обработка цементованных шестерен по режимам, указанным на рис. 52.

В результате получаем шестерню с твердостью на поверхности 56-62 HRc (твердую, износостойкую), а вся остальная часть шестерни (сталь 20) не закаливается (так как содержание углерода < 0,3%), остается вязкой и пластичной.

Все это обеспечивает высокую надежность и долговечность шестерни и, соответственно, коробки передач, редуктора и др.

Рис. 52. Режимы термической обработки цементованной стали 20

Азотирование проводится при 510 °С в атмосфере атомарного азота со скоростью 0,015 мм/ч. Атомарный азот образуется в рабочем пространстве шахтной печи при распаде аммиака (2NH3→ 2N+3H2). После азотирования не требуется дополнительная термическая обработка, так как поверхность упрочняется в результате образования очень твердых нитридов: Fe2N, а также AlN, Cr2N, твердость азотированной поверхности достигает 70 HRc. Азотированию подвергаются особо тяжелонагруженные узлы, например, гильзы цилиндров ДВС (двигателей внутреннего сгорания), для чего требуется получить слой, толщиной 0,7-0,8 мм и на это требуется 50 ч

(рис. 53).

Хромирование (диффузионное) – насыщение поверхности чугуна, хромом, при котором рабочая поверхность поршневых колец, например, упрочняется в результате образования очень твердых и износостойких карбидов (C+4Cr→Cr4C).

69

Электронный архив УГЛТУ

Рис. 53. Формирование структур при азотировании железа-стали

И так, азотированная рабочая поверхность гильзы цилиндров ДВС в паре с хромированным поршневым кольцом создают очень надежную и износостойкую пару трения.

11. ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Наилучший комплекс механических и физических свойств или особо высокий уровень одного из них (износостойкость, коррозионную стойкость, жаростойкость и др.) можно получить, используя легированные стали.

70

Электронный архив УГЛТУ

егированными (специальными) сталями называют стали, в которые для получения требуемых свойств вводят специальные добавки (чаще всего ферросплавы), содержащие необходимые химические элементы. Эти химические элементы, вводимые в сталь в определенных количествах с целью изменения ее строения и свойств, называются легирующими эле-

ментами.

Наиболее распространенными легирующими элементами являются: кремний (более 0,4 %), марганец (более 0,7 %), хром и никель. Легированные конструкционные стали реже содержат вольфрам, молибден, титан, ванадий, ниобий и др, инструментальные же стали содержат повышенное содержание карбидообразующих элементов (вольфрам, молибден, титан, ванадий).

11.1. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей

Влияние элементов на полиморфизм железа. Все элементы, кото-

рые растворяются в железе, сдвигают критические точки А3 и А4 по температурной шкале, приводя к расширению области существования γ- модификации (в сталях – аустенита, рис. 54, а) или к ее сужению вплоть до «выклинивания» (рис. 54, б). В первом случае свыше определенного содержания легирующего элемента (никель, марганец) образуются аустенитные сплавы (стали), во втором (хром, кремний) – ферритные.

Рис. 54. Схема диаграмм состояния железо - легирующий элемент

В аустенитных сталях матричной (основной) фазой является аустенит (γ), имеющий ГЦК – решетку и обладающий парамагнитизмом («немагнитен»). Ферритные стали в качестве матричной фазы имеют феррит (α) с ОЦК – решеткой, который при температуре ниже точки Кюри (для железа – 768 °С) обладает ферромагнетизмом («магнитен»).

71

Электронный архив УГЛТУ

11.2. Влияние легирующих элементов на кинетику распада аустенита

Влияние легирующих элементов заключается, во-первых, в повышении устойчивости аустенита к распаду с образованием перлита и, вовторых, в понижении (кроме кремния) температуры начала мартенситного превращения.

Это позволяет разделить все многообразие легирующих сталей на три класса, исходя из характера структуры, получаемой при охлаждении на воздухе:

-перлитный класс; при охлаждении на воздухе образуется перлит

(рис. 55, а);

-мартенситный класс; при охлаждении на воздухе образуется мартенсит, так как критическая скорость закалки выше скорости охлаждения на воздухе, а температура начала мартенситного превращения находится выше комнатной температуры (рис. 55, б);

-аустенитный класс; при охлаждении на воздухе аустенит остается непревращенным, так как мартенситное превращение начинается при отрицательных температурах (рис. 55, в).

Рис. 55. Диаграммы распада аустенита сталей разных классов

Повышение устойчивости аустенита при введении легирующих элементов ведет к увеличению прокаливаемости стали (способность стали закаливаться на определенную глубину).

Прокаливаемость стали является важной характеристикой, особенно для конструкционных сталей, используемых в машиностроении. Повы-

72

Электронный архив УГЛТУ

шенная прокаливаемость стали, оцениваемая по расстоянию от поверхности закаленного образца до полумартенситной зоны (50 % мартенсита и 50 % троостита) или критическим диаметром (наибольший диаметр цилиндрического образца, в сердцевине которого в результате закалки на мартенсит получают не более 50 % троостита), позволяет даже при закалке массивных деталей получить сквозную мартенситную структуру, обеспечивающую равномерность механических свойств по сечению изделия после отпуска.

Прокаливаемость стали может быть особенно увеличена при совместном легировании несколькими элементами: для конструкционных сталей типично сочетание хрома и никеля; для инструментальных – хрома, вольфрама и молибдена. Так, из рис. 56 видно, что легирование инструментальной стали хромом в количестве 1 % (сталь 90Х) уменьшает критическую скорость закалки в пять раз, а дополнительное введение 4 % вольфрама позволяет получать мартенситную структуру, охлаждая сталь на воздухе.

Рис. 56. Влияние легирующих элементов (Cr и W)

на характер диаграммы изотермического распада аустенита:

а– сталь У8; б – сталь 90Х; в – сталь 90ХВ4

11.3.Образование легирующими элементами

самостоятельных фаз

При введении в сталь легирующие элементы могут быть растворены в феррите и аустените, повышая их прочность, коррозионностойкость (хром, никель), износостойкость (марганец) и жаростойкость (хром, молибден). Некоторые элементы, например, хром и марганец, могут находиться в составе цементита, также повышая его прочность.

Однако значительно большее влияние на свойства стали легирующие элементы оказывают, образуя самостоятельные карбидные фазы, такие как –

73