10162

стали. Высокая твердость азотирования достигается сразу и не требует последующей термической обработки. Это главное достоинство процесса азотирования.

Целью азотирования является создание поверхностного слоя с особо высокой твердостью, износостойкостью, повышенной усталостной проч-

ностью и сопротивлением коррозии в водной среде, паровоздушной и влажной атмосфере.

Азотирование применяют в машиностроении для изготовления изме-

рительного инструмента, гильз, цилиндров, зубчатых колес, шестерен,

втулок, коленчатых валов и др.

Цианирование (нитроцементация) стали – это процесс совместного насыщения поверхности стальных деталей азотом и углеродом. Основная цель цианирования состоит в повышении твердости и износостойкости деталей.

При цианировании нагрев осуществляют либо в расплавленных солях,

содержащих цианистые соли NaCN или KCN, либо в газовой среде, со-

стоящей из смеси метана и аммиака. Состав и свойства цианированного слоя зависят от температуры проведения цианирования.

В зависимости от температуры процесса различают высокотемпера-

турное (850…950ºС) и низкотемпературное (500…600ºС) цианирование.

Чем выше температура цианирования, тем меньше насыщение поверхно-

стного слоя азотом и больше углеродом. Совместная диффузия углерода и азота протекает быстрее, чем диффузия каждого из этих элементов в от-

дельности.

По сравнению с цементованным цианированный слой имеет более вы-

сокую твердость и износостойкость, а также более высокое сопротивление коррозии. В ваннах можно подвергать цианированию мелкие детали, на-

пример, детали часовых механизмов, для которых достаточно получение слоя небольшой толщины.

Диффузионная металлизация – насыщение поверхностного слоя алю-

110

минием (алитирование), хромом (хромирование), бором (борирование).

Металлизация бывает твердая, жидкостная и газовая. При жидкостной металлизации стальную деталь погружают в расплав металла. При твердой и газовой металлизации насыщение происходит с помощью летучих со-

единений хлора с металлом, которые при температуре 1000…1100ºС всту-

пают в обменную реакцию с железом с образованием диффундирующего элемента в активном состоянии.

При алитировании, т.е. насыщении алюминием, которое обычно про-

водится в порошкообразных смесях или расплавленном алюминии, детали приобретают повышенную коррозионную стойкость благодаря образова-

нию плотной пленки оксида алюминия, предохраняющей металл от окис-

ления. Толщина слоя составляет 0,2…0,5 мм. Твердый раствор алюминия в железе обладает высокой жаростойкостью.

При хромировании обеспечивается высокая стойкость к газовой кор-

розии до температуры 800ºС, а также стойкость к коррозии в воде, морской воде и кислотах. Толщина слоя составляет до 0,2 мм.

Силицирование, т.е. насыщение кремнием, придает высокую кислото-

упорность в соляной, серной и азотной кислотах и применяется для дета-

лей, используемых в химической и нефтяной промышленности; толщина слоя составляет 0,3…1 мм.

Борирование придает поверхностному слою исключительно высокую твердость, износостойкость и устойчивость к коррозии в различных сре-

дах. Борирование часто проводят при электролизе расплавленных солей,

где стальная деталь служит катодом. При температуре примерно 150ºС и выдержке 205 ч. на поверхности образуется твердый борид железа; толщи-

на слоя достигает 0,1…0,2 мм.

Старение углеродистой стали – проявляется в изменении свойств во времени без заметного изменения микроструктуры. Повышаются прочность,

порог хладноломкости, снижается пластичность и ударная вязкость.

Известны два вида старения – термическое и деформационное (меха-

111

ническое). Первое протекает в результате изменения растворимости угле-

рода и азота в α-Fe и выделения избыточных фаз (карбидов и нитридов) из феррита в зависимости от температуры. Деформационное (механическое)

старение протекает после пластической деформации при температуре ниже порога рекристаллизации, особенно при 20°С, и развивается в течение 15 – 16 минут при температуре 20°С и нескольких минут при 200 – 350°С.

Склонность стали к старению снижается при модифицировании ее Аl, Ti и V, а также при рекристаллизационном отжиге. Отпускная хрупкость и старение стали могут возникнуть при электротермическом способе натяже-

ния арматуры в процессе изготовления предварительно напряженных желе-

зобетонных конструкций.

5.4. Защита металлов и сплавов от коррозии

Защита металлов от коррозии имеет очень важное значение. Коррозия

– процесс разрушения металлов вследствие взаимодействия их с внешней средой. Ежегодно в мире теряется в результате коррозии 1 – 1,5 % металла.

В наибольшей степени подвергаются коррозии стали.

Различают химическую и электрохимическую коррозии.

Химическая коррозия возникает при действии на металл сухих газов или растворов неэлектролитов – масел, бензина. При электрохимической коррозии металл разрушается вследствие его растворения в жидкой среде,

являющейся электролитом, т.е. это разрушение сплава, сопровождающееся появлением электрического тока в результате работы множества микро-

гальванических элементов на корродирующей поверхности.

Коррозия может возникнуть при контакте двух разнородных металлов или в результате химической неоднородности металла. Металлы имеют электрические свойства, характеризуемые рядом напряжений. При контак-

те двух металлов разрушатся тот, который стоит ниже в ряду электрохи-

мических напряжений, например, при контакте железа с хромом и цинком

112

будут разрушаться хром и цинк. Поэтому покрытия из этих металлов используют в качестве анодного покрытия. Для катодного покрытия ис-

пользуют металлы, имеющие менее отрицательное значение потенциала

(медь, олово, никель).

Металлические покрытия наносят для защиты от коррозии горячим способом, гальваническим и способом металлизации, хромирования, а

также плакирования.

Применяют химические способы образования на металле плотных оксидных пленок: анодирование (для алюминиевых сплавов) и фосфати-

рование (для черных металлов). Последнее состоит в получении на изде-

лии пленки из нерастворимых солей железа или марганца.

В последнее время стало возможным производить холодное цинкова-

ние, например, одноупаковочными составами Zinga, «Жидкий цинк», «Ци-

нол». Покрытие может быть нанесено при температуре от -20 до +40°С даже на влажную поверхность. Наносится покрытие валиком, распылени-

ем, окунанием. Поверх цинкового покрытия могут быть нанесены лакокра-

сочные материалы (особенно полиуретановые). Срок эксплуатации такой двойной системы превышает сумму сроков эксплуатации каждого покры-

тия.

Наиболее простой способ защиты от коррозии состоит в нанесении лакокрасочных покрытий (битумных, масляных, эмалевых красок) или полимерных композиций. Ванны, раковины, декоративные изделия покры-

вают эмалью, т. е. наплавляют на металл при температуре выше 650°С

различные комбинации силикатов.

Одним из способов защиты от коррозии является легирование, т. е.

сплавление металла с добавками. Так получают нержавеющие стали, стой-

кие к воде и минеральным кислотам.

113

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что такое отжиг?

2.Что такое нормализация?

3.Что не является обязательным для отжига первого рода?

4.Назовите продукты распада аустенита.

5.Что такое аустенит?

6.Какова цель полного отжига?

7.Какова цель закалки?

8.Каков характер мартенситного превращения?

9.Что такое мартенсит?

10.Назовите цель и разновидности отпуска.

11.Какова структура закаленной стали?

12.Охарактеризуйте структуру нормализованной стали.

13.В чем заключается сущность химико-термической обработки ста-

лей?

14.Какие виды коррозии вам известны?

15.Какие существуют методы защиты металла от коррозии?

16.Какая термическая обработка позволяет получить максимальный предел упругости стали?

17.Можно ли с помощью химико-термической обработки повысить коррозионную стойкость поверхностного слоя стальной детали?

6. ИСПЫТАНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Механические свойства характеризуют способность материала сопро-

тивляться деформации и разрушению под действием приложенных нагру-

зок.

По характеру изменения во времени действующей нагрузки механи-

ческие испытания могут быть статическими (на растяжение, сжатие, изгиб,

114

кручение), динамическими (на ударный изгиб) и циклическими (на уста-

лость).

По воздействию температуры на процесс их делят на испытания при комнатной температуре, низкотемпературные и высокотемпературные (на длительную прочность, ползучесть).

6.1. Определение твердости

Твердостью называется способность металла сопротивляться внедре-

нию в него инородного тела. Определение твердости является наиболее часто применяемым методом испытания металлов. Для определения твер-

дости не требуется изготовления специальных образцов, т. е. испытание проводится без разрушения детали.

Существуют различные методы определения твердости – вдавливани-

ем, царапанием, упругой отдачей, а также магнитный метод. Наиболее распространенным является метод вдавливания в металл стального шари-

ка, алмазного конуса или алмазной пирамиды. Для испытания на твердость применяют специальные приборы, несложные по устройству и простые в обращении.

Испытание на твердость вдавливанием шарика (твердость по Бринел-

лю). В поверхность испытываемого металла с определенной силой вдавли-

вают стальной закаленный шарик диаметром 10,5 пли 2,5 мм (рис. 6.1). В

результате на поверхности металла получается отпечаток (лунка). Диаметр отпечатка измеряют специальной лупой с делениями.

115

Рис. 6.1. Схема испытания на твердость по Бринеллю

Число твердости по Бринеллю НВ характеризуется отношением на-

грузки, действующей на шарик, к поверхности отпечатка:

где Р – нагрузка на шарик, Н (кгс); F – поверхность отпечатка, мм2; D

– диаметр вдавливаемого шарика, мм; d – диаметр отпечатка, мм.

Для того чтобы не вычислять твердость по приведенной выше форму-

ле, на практике пользуются специальной таблицей, в которой диаметру отпечатка соответствует определенное число твердости НВ.

Для характеристики твердости часто пользуются диаметром отпечатка dHB (мм) без перевода в число твердости. Диаметр шарика и нагрузку устанавливают в зависимости от испытываемого металла, твердости и его толщины. Например, при испытании стали и чугуна Р = 30D2, меди и ее сплавов Р = 10D2, баббитов Р = 2,5D2.

116

Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов твердо-

стью более 450 НВ, так как шарик может деформироваться и результат получится неправильным. Нельзя также испытывать тонкие материалы,

которые при вдавливании шарика продавливаются.

Определение твердости по Роквеллу. В поверхность испытываемого металла вдавливают алмазный конус с углом 120° или стальной закаленный шарик диаметром 1,59 мм. Испытание шариком применяют при определе-

нии твердости мягких материалов, а алмазным конусом – при испытании твердых материалов.

Шарик и конус вдавливают в испытываемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок – предварительной Р0 и ос-

новной P1, общая нагрузка Р равна их сумме (рис. 6.2).

Р Р0 Р1

Рис. 6.2. Схема испытания на твердость по Роквеллу

Предварительная нагрузка Р0 во всех случаях равна 100 Н (10 кгс), а

основная Р1 и общая Р нагрузки составляют:

при вдавливании стального шарика (шкала В):

Р1 = 900 Н (90 кгс); Р = 1000 Н (100 кгс);

при вдавливании алмазного конуса (шкала С):

Р1 = 1400 Н (140 кгс); Р= 1500 Н (150 кгс);

117

при вдавливании алмазного конуса (шкала А)

Р1 = 500 Н (50 кгс); Р = 600 Н (60 кгс).

При нагрузке 600 Н (60 кгс) испытывают очень твердые, а также тон-

кие материалы (шкала А).

За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. Число твердости по Роквеллу HR

определяется по формулам:

Твердость по Роквеллу – число отвлеченное и выражается в услов-

ных единицах; ее обозначают в зависимости от условий испытания HRA, HRB, HRC.

при измерении по шкале В:

HR = 130 – е;

при измерении по шкалам С и A:

HR = 100 – е.

Величина е определяется по следующей формуле:

е = (h – h0) / 0,002,

где А0 – глубина внедрения наконечника в испытываемый материал под действием предварительной нагрузки PQ; h – глубина внедрения наконечника в испытываемый материал под действием общей нагрузки Р, измеренная после снятия основной нагрузки Рг с оставлением предварительной нагрузки Р0 (рис. 6.2).

Определение твердости по Роквеллу имеет широкое применение, так как дает возможность испытывать твердые и мягкие материалы; при этом отпечатки от конуса или шарика очень малы, поэтому можно испытывать готовые детали без их порчи. Испытание выполняется легко и быстро (30

– 60 с.); не требуется никаких измерений – число твердости читается пря-

мо на шкале. Значения твердости по Роквеллу можно перевести в значения твердости по Бринеллю.

Определение твердости по Виккерсу. В поверхность металла вдавли-

118

вают четырехгранную алмазную пирамиду (рис. 6.3). По нагрузке, прихо-

дящейся на единицу поверхности отпечатка, определяют число твердости,

обозначаемое HV:

HV 2dP2 sin 2 1,8544 dP2 ,

где Р – нагрузка на пирамиду, Н (кгс); d – среднее арифметическое дли-

ны обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки, мм; α – угол между противоположными гранями пирамиды при вершине, равный 136°.

Рис. 6.3. Схема испытания на твердость по Виккерсу

При испытании применяют нагрузки, равные 50, 100, 200, 300, 500,1000 Н (соответственно 5, 10, 20, 30, 50, 100 кгс). Возможность приме-

нения малых нагрузок – 50, 100 Н (5, 10 кгс) позволяет испытывать мате-

риалы тонкого сечения и твердые поверхностные слои (например, циани-

рованные, азотированные).

Для определения числа твердости HV по величине диагонали отпе-

чатка используют специальную таблицу. Числа твердости до 400 HV

единиц совпадают с числами твердости НВ (по Бринеллю), а при твердо-

сти более 400 HV они превышают числа твердости НВ и тем больше, чем выше твердость.

119