/
Author: Горленко О.А. Сильман Г.И.
Tags: испытания материалов товароведение силовые станции общая энергетика машиностроение механика издательство машиностроение триботехнология
ISBN: 5-94275-306-7
Year: 2006
Text
Г.И. СИЛЫМАН
О.А. ГОРЛЕНКО
?7, '/
ТРИБОТЕХНИЧЕСКОЕ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
И
ТРИБОТЕХНОЛОГИЯ
Допущено Учебно-методическим объединением вузов по универси-
тетскому политехническому образованию в качестве учебника для
студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению
подготовки дипломированных специалистов 150300 - Прикладная
механика, специальности 150302 - Триботехника
Брянск/-* ™<-"-«-твен1юй f
инжен«*рно-т<*х»тллгическо#
академии
Москва
«Машиностроение -1»
2006
ББК
УДК 620.179.112 (075.8)
С
Сильман Г.И., Горленко О.А. Триботехническое материаловедение и три-
ботехнология: учебник для вузов / Г.И. Сильман, О.А. Горленко. - М.: Ма-
шиностроение-!, 2006. - 348 с.
ISBN 5-94275-306-7 (978-5-94275-306-1)
Материал учебника излагается в соответствии с программой курса
«Триботехническое материаловедение и триботехиология» для студентов,
обучающихся по специальности "Триботехника". В нем рассмотрены общие
вопросы материаловедения. Даны основы теории и технологии термической
и химико-термической обработки стали (объемной и поверхностной). Рас-
смотрены основные конструкционные и инструментальные материалы об-
щего и триботехнического назначения. Изложены основные вопросы трибо-
технологии.
Предназначен для студентов вузов, обучающихся по специальности
150302 "Триботехника" направления 150300 "Прикладная механика". Может
быть полезен студентам и аспирантам других технических специальное гей, а
также для инженерно-технических работников, занимающихся вопросами
обеспечения и повышения износостойкости деталей машин.
Рецензенты: ; ;~ ^ц-ужх?7цгу«МрЬф. Ьлошкин В.В.
I у , д-р техн. naytf, проф. fJaJio6ace E.B.
ISBN 5-94275-306-7 (978-5-94275-306-1) © Сильман ПЙ, Горленко ОА, 2006
© Изд-во «Машиностроение - 1», 2006
3
ВВЕДЕНИЕ
Материаловедением называется наука, изучающая материалы, связь
между их составом, структурой и свойствами, а также закономерности их
изменения при тепловых, химических, механических, электромагнитных, ра-
диационных и других воздействиях.
Материаловедение как наука создавалось многими поколениями специа-
листов, причем весьма крупный, а во многих отношениях и решающий вклад
внесли в него отечественные ученые. Впервые существование связи между
строением стали и ее свойствами было установлено П.П. Аносовым (1799-1839
гг.). Основы научного металловедения были заложены выдающимся русским
металлургом Д.К. Черновым (1839-1921 гг.), который за свои работы был на-
зван в литературе "отцом металлургии железа", В начале XX в. большую роль в
развитии металловедения сыграли работы Н.С. Курнакова, который применил
для исследования металлов методы физико-химического анализа. Фундамен-
тальные основы современного физического металловедения заложены работа-
ми Г.В. Курдюмова, А.А. Бочвара, А.А. Байкова, В.И. Данилова, I1.A. Минке-
вича. Большое значение в развитии металловедения и термической обработки
имели работы Осмонда (Франция), Юм-Розери и Мотта (Англия), Зейтца, Бейна
и Мейла (США), Таммана и Ганемана (Германия) и др.
В теорию и практику разработки органических материалов значительный
вклад внесли работы A.M. Бутлерова, СВ. Лебедева, А.А. Баландина, Н.Н. Се-
менова и др. Основы структурной теории химического строения органических
соединений заложил великий русский химик A.M. Бутлеров (18264 886 гг.). На
основании исследований Г.С. Петрова (1907-1914 гт.) стало возможным про-
мышленное производство первых синтетических фенопластов. Основы теории
цепных реакций разработаны Н.Н. Семеновым (1930-1940 гг.). Большой вклад в
развитие физики и химии полимеров внесли отечественные ученые П.П. Кобе-
ко, В.А. Каргин, А.П. Александров, С.С. Медведев и др. Следует отметить и за-
слуги К.А. Андрианова в развитии химии кремнийорганических полимеров.
В конце XIX и начале XX века основными конструкционными материа-
лами являлись металлические материалы (стали, чугуны, сплавы на основе ме-
ди и алюминия). В последние десятилетия материаловедческая наука была свя-
зана не только с совершенствованием традиционных металлических материа-
лов, но и с созданием принципиально новых классов конструкционных мате-
риалов - полупроводников и пластических масс, композиционных материалов
и металлокерамики, аморфных сплавов и сверхпроводящих керамик, наност-
руктурных материалов и технологий. Задачами материаловедения стало не
только изучение строения и свойств каждого из указанных классов материалов,
но и их совместного поведения в конструкциях и изделиях.
Особенно это характерно для изделий, работающих в условиях трения и
износа. Для этих условий используются не только известные конструкционные
материалы общего назначения, но и разработано большое количество материа-
лов со специальными триботехническими свойствами. В связи с этим создан
4
практически новый раздел материаловедения - триботехническое материалове-
дение.
Триботехническое материаловедение занимается изучением поведения
материалов при трении, изнашивании и смазке, разработкой принципов созда-
ния триботехнических материалов, обеспечивающих высокую надежность из-
делий в эксплуатации, а также оценкой специфической взаимосвязи между фи-
зико-химическими закономерностями трения и триботехническими свойствами
материалов.
Интенсивность разрушения поверхностных слоев материалов, как прави-
ло, мало зависит от исходных объемных свойств материалов. Структура и фа-
зовый состав в тонком поверхностном слое обычно имеют существенные осо-
бенности. В результате контактного взаимодействия с материалом контртела и
окружающей средой на поверхности трения создается и воспроизводится так
называемое "третье тело" - рабочий слой со специфическими триботехниче-
скими свойствами.
Изучением поведения материалов при трении занимались многие извест-
ные ученые. В XV в. Леонардо да Винчи установил, что сила трения зависит от
материала соприкасающихся поверхностей, степени их обработки и не зависит
от площади их соприкосновения. Англичанин Д. Дезагюлье (XVIII в.) показал,
что трение в значительной степени определяется адгезией контактирующих тел
по поверхности контакта. Важнейшим этапом в развитии трибологии материа-
лов явились работы известного французского инженера и физика Ш. Кулона,
показавшего, что сила трения состоит из двух составляющих, одна из которых
пропорциональна внешней нагрузке, а другая не зависит от нее. Открытие П.А.
Ребиндером эффекта адсорбционного понижения прочности твердых тел по-
зволило понять, что в процессе трения участвует не только адсорбционный
слой, но и поверхностные слои трущихся тел, свойства которых изменяются
под действием активных компонентов смазочных материалов. Весьма перспек-
тивна возможность улучшения фрикционно-износных характеристик пар тре-
ния путем применения эффекта избирательного переноса, открытого Д.Н. Гар-
куновым и И.В. Крагельским в 1965 г.
В последние годы удалось повысить несущую способность узлов трения,
обеспечить их высокую долговечность и надежность, снизить материалоем-
кость и уменьшить энергетические потери в этих сопряжениях путем оптими-
зации состава и структуры антифрикционных сплавов (М.М. Хрущов, Н.А. Бу-
ше и др.), создания и применения углеродных антифрикционных материалов
(Ю.Н. Васильев, 3. Бройде, Е.А. Марченко), антифрикционных самосмазываю-
щихся материалов (В.В. Коршак, И.А. Грибова и др.), металлополимерных сис-
тем ((В.А. Белый, Ю.М. Плескачевский, А.И. Свиреденок и др.), фрикционных
композиционных (полимерных и порошковых) материалов (Г.А.Георгиевский,
И.В. Крагельский, А.В. Чичинадзе и др.). Большую роль в прогрессе зриботех-
нического материаловедения сыграли исследования изменений в поверхност-
ных слоях трущихся тел, проведенные И.М. Любарским, Л.С. Палатником,
Д.Н. Гаркуновым и др.
5
,, интенсивно развивается триботехнология -"ррррря трибологии, связан-
ный с изучением триботехнических аспектов формообразования деталей пары
трения, обработки материалов разрущающимиги деформирующими способами,
возможности обеспечения требуемых свойств поверхностей трения узлов и де-
талей путем использования различных упрочняющих методов, нанесения спе-
циальных покрытий и т.п.
В последние годы разработаны эффективные,методы упрочнения поверх-
ностей деталей машин, в частности вакуумные, ионоплазменные, лазерные,
электронно-лучевые, электроискровые (АЛ. Семенов, НА Воронин, М.Х. Шоршо-
ров, BJL Кершенбаум и др.).
Учение о прочности и разрушении материалов - важнейшая часть мате-
риаловедения; оно является для специалистов теоретической основой при вы-
боре подходящих конструкционных материалов для деталей различного целе-
вого назначения и поисках рациональных способов формирования в них тре-
буемых свойств, обеспечения их надежности и долговечности. Оно имеет и
очень важное технологическое значение. Это объясняется тем, что основные,
связанные с послойным удалением материала формообразующие и многие уп-
рочняющие операции обработки деталей по своей сути представляют собой до-
зированное, технологически управляемое разрушение материала, осуществляе-
мое по какому-либо определенному режиму. Особенно это касается современ-
ных, самых перспективных так называемых высоких технологий, основанных
на применении в качестве инструмента концентрированных потоков энергии,
создаваемых лазерным излучением, сфокусированными потоками электронов, а
также плазменными потоками.
За последние годы достижения материаловедения обеспечили небывалый
прогресс в разработке конструкционных и инструментальных материалов в
различных областях техники. Исследования реальной структуры твердых тел
показали принципиальную возможность получения сплавов с прочностью, при-
ближающейся к теоретической, определяемой прочностью межатомных связей.
Очень перспективны разрабатываемые и исследуемые в последнее время нано-
структурные материалы и технологии. Можно полагать, что они найдут свое
место и в качестве наиболее эффективных триботехнических материалов и тех-
нологий.
6
ЧАСТЬ I. ОСНОВЫ ОБЩЕГ О МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
Данная часть учебника представляет собой, по сути, введение в триботех-
ническое материаловедение. Она содержит материал, необходимый для более
полного усвоения остальных частей учебника.
ГЛАВА I. СТРОЕНИЕ, КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ И ДЕФОРМАЦИЯ
МАТЕРИАЛОВ
В данной главе приведены основные сведения о строении и свойствах ма-
териалов, в частности о дефектах их кристаллического строения и деформиро-
вания под нагрузкой.
1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ
Все материалы обычно делят на металлические и неметаллические. Одна-
ко в последние годы интенсивно разрабатываются и находят широкое примене-
ние комплексные материалы, в которых сочетаются материалы разных групп.
Их называют композиционными, но обычно рассматривают эти материалы в
одной из традиционных групп, т.е. включают их в металлические или неметал-
лические материалы в зависимости от основного (базового) компонента.
Металлические материалы принято делить на две группы.
Железо и сплавы на его основе (сталь, чугун) называют черными метал-
лами, а остальные металлы (Be, Mg, Al, Ti, V, Сг, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb,
Mo, Ag, Sn, W, Au, Hg, Pb и др.) и их сплавы - цветными.
Наибольшее применение нашли черные металлы. На основе железа изго-
товляется не менее 90-95 % всех конструкционных и инструментальных мате-
риалов. Широкое распространение железа и его сплавов связано с большим со-
держанием его в земной коре, низкой стоимостью, высокими технологическими
и механическими свойствами. Стоимость цветных металлов во много раз выше
стоимости железа и его сплавов.
Кобальт, никель, а также близкий к ним по свойствам марганец нередко
относят к металлам железной группы. Цветные металлы по сходным свойствам
подразделяют на легкие металлы (Be, Mg, Al, Ti), обладающие малой плотно-
стью; легкоплавкие металлы (Zn, Cd, Sn, Sb, Hg, Pb, Bi); тугоплавкие металлы
(Ti, Cr, Zr, Nb, Mo, W, V и др.) с температурой плавления выше, чем у железа
(1539 °С); благородные металлы (Ph, Pd, Ag, Os, Pt, Au и др.), обладающие хи-
мической инертностью; урановые металлы (U, Th, Pa) - актиноиды, используе-
мые в атомной технике; редкоземельные металлы (РЗМ), лантаноиды (Се, Рг,
Nd, Sm и др.) и сходные с ними иттрий и скандий, применяемые как присадки к
различным сплавам; щелочноземельные металлы (Li, Na, К), используемые в
качестве теплоносителей в ядерных реакторах.
7
К неметаллическим материалам относятся полимерные материалы орга-
нические и неорганические: различные виды пластических масс, композицион-
ные материалы на неметаллической основе, каучуки и резины, клеи, герметики,
лакокрасочные покрытия, а также графит, стекло, керамика, древесина.
Такие свойства полимерных материалов, как достаточная прочность, же-
сткость и эластичность при малой плотности, светопрозрачность, химическая
стойкость, диэлектрические свойства делают эти материалы часто незамени-
мыми. Также следует отметить их технологичность и эффективность при ис-
пользовании. Эти материалы находят все большее применение в различных от-
раслях машиностроения.
Основа неметаллических материалов полимеры, главным образом синте-
тические. Создателем структурной теории химического строения органических
соединений является А. М. Бутлеров (1826-1886 гг.). Промышленное производ-
ство первых пластмасс (фенопластов) - результат работ, проведенных Г. С.
Петровым (1907-1914 гг.). С. В. Лебедевым впервые в мире осуществлен про-
мышленный синтез каучука (1932 г.). Н. Н. Семеновым разработана теория
цепных реакций и распространена на механизм цепной полимеризации. Ус-
пешное развитие химии и физики полимеров связано с именами видных уче-
ных: П. П. Кобеко, В. А. Каргина, А. П. Александрова, С. С. Медведева, С. Н.
Ушакова, В. В. Коршака и др. Развитие термостойких полимеров связано с
именем К. А. Андрианова.
В области создания полимерных материалов большой вклад внесен зару-
бежными учеными: К. Циглером (ФРГ), Д. Наттом (Италия) и др.
1.2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ МАТЕРИАЛОВ
Любой материал является физико-химической системой и для него харак-
терны основные закономерности, определяющие поведение физико-
химических систем.
Важной особенностью окружающего физического мира является то об-
стоятельство, что устойчивость всех тел возрастает при уменьшении энергии.
Во многих случаях мы принимаем это автоматически: например, карандаш об-
ладает большей потенциальной энергией и меньшей устойчивостью, если он
стоит вертикально, а не лежит горизонтально на столе. В других случаях это
становится очевидным из экспериментов: природный газ, сгорая на воздухе^ ос-
вобождает энергию (тепло), поэтому образующиеся продукты имеют меньшую
химическую энергию, чем исходные углеводороды и кислород.
Энергетические соотношения зависят от внутренней структуры ма-
териалов. Чем прочнее связи между атомами, тем большую энергию необходи-
мо затратить для их разделения. Электроны более склонны занимать орбиты с
меньшими энергиями, за исключением случая, когда они получают дополни-
тельную энергию возбуждения от внешних источников. Однако с течением
времени даже возбужденные электроны стремятся вернуться на незанятые бо-
лее устойчивые орбиты с низкой энергией.
к
Энергию механических систем подразделяют на потенциальную и кине-
тическую. Потенциальной энергией называется часть энергии механической
системы или тела, зависящая от положения частиц системы или тела во внеш-
нем силовом поле. Кинетическая энергия, или энергия движения, имеет важное
значение как для материалов, так и для механизмов. Так, давление газа обу-
словлено кинетической энергией атомов или молекул. В твердых телах атомы
также не остаются неподвижными, а непрерывно совершают колебания в ре-
зультате теплового возбуждения. Такое движение оказывает существенное
влияние на свойства материала.
В физико-химических системах полная (или внутренняя) энергия также
состоит из двух частей. Одна часть этой энергии связана с внутренним состоя-
нием системы (внутренним беспорядком) и не участвует в реакциях с внешней
средой. Другая часть внутренней энергии может быть переведена в работу, т.е.
может быть выделена из системы. Эгу часть называют свободной энергией.
Уровнем свободной энергии системы характеризуются условия равновесия. Со-
стоянию стабильного равновесия системы соответствует абсолютный минимум
свободной энергии. Любая система самопроизвольно стремится к достижению
наиболее устойчивого состояния, т.е. к минимуму свободной энергии.
Обычно рассмотрение состояний физико-химической системы проводят с
использованием энергетической кривой, моделирующей механическую систему
поверхность - шар, перекаты-
вающийся по этой поверхности
(рис. 1.1).
Эта система стремится за-
нять положение с минимальной
потенциальной энергией, соответ-
ствующей наинизшему положе-
нию центра тяжести шара, кото-
рое характеризуется поз.1в на
рис. 1.1 и отвечает стабильному
равновесию. Система в поз. 16 об-
ладает областью относительной
устойчивости, что характерно для
метастабильного равновесия. Ве-
личина ДЕ представляет собой
энергетический барьер, который
система должна преодолеть для
перехода из метастабильного в
стабильное состояние. ПозЛа со-
ответствует лабильное состояние,
которое не имеет области относительной устойчивости. В поз.И система нахо-
дится в неустойчивом состоянии и обладает запасом свободной энергии ДЕц по
сравнению со стабильным состоянием.
Координата реакции
Рис. 1.1. Механическая модель системы,
находящейся в лабильном состоянии
(Ja), метастабильном (16) и стабильном
(1в) равновесии, а также в нестабильном
состоянии (II)
9
1,3. ХРМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ В МАТЕРИАЛАХ
Во всех материалах существует межатомное притяжение, которое приво-
дит к образованию атомных связей. Если бы такое притяжение отсутствовало,
то каждый атом был бы независимым от всех других. Кроме того, материалы не
обладали бы целостностью и не могли оказывать сопротивление приложенным
внешним силам.
Обычно выделяют четыре типа химических связей. Первые три типа свя-
зей - ионная (гетерополярная), ковалентная (гомеополярная) и металлическая -
называются первичными связями, поскольку они относительно прочны. Каждая
из этих связей возникает вследствие обмена или объединения валентных элек-
тронов, находящихся на s- и р-орбиталях. Четвертый тип связи — вандервааль-
совская — возникает в результате воздействия более слабых, но играющих важ-
ную роль сил притяжения.
Ионные связи. Обусловлены взаимодействием противоположно заря-
женных ионов. Известно, что расстояние между ионами редко бывает меньше 2
А. Объясняется это тем, что при малых расстояниях между атомами (или иона-
ми) начинают взаимодействовать электронные оболочки атомов, т.е. возникаю!
силы отталкивания. На рис. 1.2 показано, как меняются энергия притяжения и
энергия отталкивания при сближении противоположно заряженных ионов.
Межатомное
расстояние
t-mi»
Рис. 1.2. Изменение энергии взаимодействия ионов (сплошной линией
показано изменение полной энергии взаимодействия); а - равновес-
ное расстояние.
Если просуммировать обе составляющие, то получаем известную зависи-
мость полной энергии взаимодействия от расстояния между ионами. Кривая
полной энергии имеет резкий минимум, определяющий величину межатомного
расстояния а. Здесь Ех- потенциальная энергия ионов при их расположении на
бесконечно большом удалении друг от друга; величина Ех - Emin соответствует
энергии (теплоте) сублимации, поскольку именно такая энергия должна быть
подведена для полного разделения двух атомов или ионов.
В случае атомов, обладающих сильной связью, минимум на кривой изме-
нения энергии оказывается очень узким. Это означает, что для отклонения от
10
Рис. 1.3. Модель твердых шаров
положения равновесия необходимы большие усилия.г'По этой причине меж-
атомные расстояния остаются постоянными с точностью до 0,001 А, в связи с
чем удобно рассматривать атомы как твердые тары определенного радиуса
(рис.1.3).
Так как среднее межатомное
расстояние изменяется лишь на доли
процента, эта модель оказывается по-
лезной при многих расчетах и часто
используется. Равновесное расстоя-
ние определяется как расстояние ме-
жду центрами расположенных рядом
шаров.
Более точной является пружин-
ная модель межатомных расстояний
(рис. 1.4). Хотя среднее межатомное
расстояние остается постоянным,
атомы совершают непрерывные коле-
бания. Это явление отражает пру-
жинная модель, применение которой
полезно во многих случаях. При пре-
вышении равновесного расстояния
пружины растягиваются и атомы на-
ходятся под воздействием сближаю-
щей силы. Если расстояние между
атомами уменьшается, то создается
отталкивающая сила сжатой пружи-
ны. Недостатком пружинной модели
является ее большая сложность по
сравнению с моделью твердых шаров,
но зато она позволяет описать влия-
ние колебаний атомов, теплового
расширения, энергии активации и
других свойств.
Особенность кулоновского взаимодействия состоит в том, что оно не яв-
ляется избирательным, т.е. каждый ион будет притягивать все противоположно
заряженные ионы, находящиеся в непосредственной близости от него. Из-за от-
сутствия избирательности кулоновского притяжения существует тенденция к
максимальной координации. В результате большой положительный ион может
удерживать большее число отрицательных соседних ионов, чем маленький по-
ложительный ион. Так, ион цезия с радиусом более 1,6 А (в модели твердых
шаров) достаточно велик, чтобы около него могли расположиться 8 ионов хло-
ра без значительного отталкивания электронных оболочек. А ион натрия с ра-
диусом менее 1 А может соседствовать только с 6 ионами хлора. Число нахо-
дящихся в контакте соседних ионов (или атомов) тзьшатхякоординсщюнным числам.
Рис. 1.4. Пружинная модель
11
Ковалентные связи. Связи, образованные спаренными валентными
нами сосеДних атомов. Наиболее наглядным примером может служить
ЭЛеТкула водорода (рис. 1.5). Два электрона с противоположными спинами од-
М°Л менно ПрИнадлежат двум протонам. Упрощенно можно рассматривать ко-
^ентную связь в молекуле водорода как возникающую в результате притяже-
„я положительных ионов к находящейся между ними паре электронов с про-
тивоположными спинами (поз. б).
Ji-
ll
Рис. 1.5. Молекула водорода: упрощенная схема молекулы водорода (я) и веро-
ятностное распределение электронов (б)
Примерами ковалентной связи могут также служить молекулы метана
СЙ4 и аммиака NH3 (рис. 1.6), а также кристалл алмаза (рис. 1.7). В структуре
алмаза связи ковалентные. Каждый атом углерода связан с 4 соседними атома-
ми. Кремний и германий имеют аналогичную структуру, но у,них есть некото-
рое число своболных электгюнов
Н"
В
♦
С *1*Н
%
н н
а 6
Рис Л .6. Ковалентные связи в молекулах метана (а) и аммиака (б)
Видно, что в отличие от куло-
новского взаимодействия, ковалент-
ная связь имеет ориентировку, т.е.
направлена определенным образом
в пространстве. Вследствие этого
координационное число атома угле-
рода равно всего лишь 4 (рис. 1.6, а).
несмотря на то, что в окружающем
пространстве могло бы разместить-
ся гораздо больше небольших по
величине атомов водорода (прото-
нов). В кристалле' алмаза (рис. 1.7)
*~~ координационное число также
Рис. 1.7. Структура алмаза равно 4.
12
Таким образом, координационное число у атомов с ковалентными связя-
ми зависит не от размера атомов, а от количества направленных ковапентных связей.
Сильная ковалентная связь образуется только между ближайшими соседними
атомами.
Металлические связи. Третьим типом первичной связи является метал-
лическая связь. Атомы металлов могут быть соединены в очень прочную струк-
туру. В металле множество валентных электронов способны "свободно" пе-
ремещаться в пределах структуры, сообщая металлам такие свойства, как про-
водимость, блеск, непрозрачность. Подвижность электронов в металле оправ-
дывает применение таких терминов, как "электронный газ" и "электронное об-
лако". Металлическую связь можно представить как взаимодействие между
ионной кристаллической решеткой и электронным газом.
Поскольку металлическая связь не обладает направленностью, координа-
ционное число, как правило, велико. У большого числа металлов, например Be,
Mg, Al, Ca, Ti, Co, Ni, Cu, Zn, Sr, Ag, Cd, каждый атом окружен 12 соседями.
Другие металлы - Li, Na, К, V, Cr, Mo, W - имеют координационное число 8.
Железо в зависимости от температуры и давления может существовать в не-
скольких формах с разным координационным числом.
Промежуточные первичные связи. Хотя выше были выделены три ос-
новных типа первичных связей, в "чистом" виде такие связи встречаются отно-
сительно редко. В кремнии, как и в углеродных атомах алмаза, возникают спа-
ренные электроны, характерные для ковалентной связи. Однако в атоме крем-
ния небольшое число электронов "способно уходить из ковалентной связи",
вызывая появление незначительной проводимости. В большей степени это
свойственно германию и олову, служащим основой для получения полупровод-
ников и обладающим более заметными металлическими свойствами.
Вторым примером комбинации связей может служить молекула водорода
(рис. 1.5). В течение малых интервалов времени (~10"|? с), когда оба электрона
располагаются около одного и того же ядра,, молекула становится ионной, т.е.
существуют ионы ТТ* и Н", испыты-
вающие взаимное притяжение. Так
как такое исключительное положение
сохраняется лишь относительно ма-
лое времяе, обычно молекулу Нг рас-
сматривают; как пример ковалентной
связи. *
Возникновение того или иного
состояния часто зависит от окру-
жающей среды. Так, в водном раство-
ре НС1 преобладает ионный тип свя-
зи, а в газе - ковалентный. Сочетание
ионной и металлической связей на-
Рис. 1.8. Промежуточные (смё- блюдается в ряде соединений. При-
шанные) первичные связи меРы подобных сочетаний промежу-
13
чных связей схематически представлены на рис 1.8..
Т° Первый случай (рис. 1.9) приводит к возникновению очень слабых сил,
«появляющихся как силы притяжения и вызывающих при низкой температуре
«О^ноацию инертных газов (Не, Ne, Аг и др.), в симметричных молекулах, та-
' khxv как СНя, F* Н2, С02 и N2. Дисперсионные эффекты, иногда скрытые более
прочными связями, наблюдаются во всех материалах. ■■•-■•■
Постоянные диполи образуются в асимметричных молекулах, когда не
совпадают центры положительного и отрицательного зарядов (рис. 1.10).
Распределение
электронов
ф Центры зарядов ^gs
а б
(±ИЭ
Рис. 1.9. Дисперсионные эффекты: Рис. 1.10. Постоянный
а - при усреднении во времени электроны рас- диполь HF
пределены равномерно, и в результате центры
положительного и отрицательного зарядов сов-
падают; б - в некоторые моменты времени элек-
троны могут располагаться неравномерно, и воз-
никает небольшой дипольный момент атома
Из-за такого несовпадения положительный конец одного диполя будет
притягиваться к отрицательному концу диполя другой молекулы, что проявля-
ется как межмолекулярное притяжение.
1.4. КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ И АМОРФНЫЕ ФАЗЫ В МАТЕРИАЛАХ
Фазой называют макроскопически однородную часть системы, взаимо-
действующую с другими частями и отделенную от них границами раздела. Фи-
зические свойства и химический состав фазы в среднем одинаковы или плавно
изменяются от точки к точке. При переходе от одной фазы к другой свойства и
состав меняются скачкообразно.
Различают газовую, жидкие и твердые фазы. Материалы, входящие в
систему, могут находиться в разных фазах, например вода в сосуде из пластика,
армированного стекловолокном. В этой системе вода, стекло и пластик (а также
попавший воздух) образуют самостоятельные фазы. Многофазные системы со-
14
держат границы, которые представляют собой нарушения непрерывности
структуры и состава или только состава. ■
....,. В системе может существовать только одна газовая фаза. Упаковка ато-
мов и молекул в газах настолько низка, что каждая молекула практически неза-
висима от других и не существует определенного порядка в их расположении.
Структура на уровнях выше молекулярного оказывается хаотической.
Жидких фаз в системе может быть одновременно несколько; ха-
рактерным примером служит система вода - масло - жидкая ртуть. Эти три
жидкие фазы не смешиваются, и между ними имеются фазовые границы, соот-
ветствующие нарушению непрерывности структуры и состава.
Среди технических материалов встречаются разнообразные твердые фазы
с высокой степенью упорядочения. Так, каждый атом в твердом алюминии
имеет 12 ближайших соседей на расстоянии 2,862 А, а также соседей второго и
третьего порядков, расположенных по строго заданным направлениям и на оп-
ределенных расстояниях. Такое твердое тело называется кристаллическим. В
кварцевом стекле положение соседей второго и третьего порядков не является
строго заданным, хотя каждый атом кремния координируется с четырьмя со-
седними атомами кислорода, находящимися на расстоянии 1,6 А, а каждый
атом кислорода - с двумя атомами кремния. Такое твердое тело называют не-
кристаллическим, или аморфным.
Правильную координацию между ближайшими соседними частицами на-
зывают ближним порядком. Если координируется не только расположение
ближайших соседних частиц, но и соседей второго и третьего порядков, а также
и более удаленных частиц, то такое упорядоченное расположение называют
дальним порядком. Так, у алюминия существуют и ближний порядок, и дальний
порядок. Такие фазы являются кристаллическими. Если же в фазах присутству-
ет только ближний порядок, но отсутствует дальний порядок, то такие фазы на-
зывают аморфными. К аморфным фазам относятся обычные жидкие фазы и
стекла, которые по своему строению аналогичны переохлажденным жидкостям.
1.5. СТРОЕНИЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ФАЗ (КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ
СТРУКТУРА)
При нормальных условиях все твердые металлы и большинство природ-
ных минералов относятся к категории кристаллических материалов. Однако
молекулярная фаза также может быть кристаллической, например кристалли-
зоваться может полиэтилен. Но многие пластики являются аморфными, т. е. не-
кристаллическими твердыми телами.
Наличие дальнего порядка обусловливает повторяющуюся картину рас-
положения атомов в пределах всего кристалла. Минимальный объем, повто-
ряющийся в кристалле во всех трех измерениях, трансляцией которого можно
полностью воспроизвести структуру кристалла, называют элементарной ячей-
кой. Совокупность элементарных ячеек представляет собой кристаллическую
решетку.
15
Простейшие кристаллы состоят из атомов только одного элемента. При
утствии ковалентных связей каждый атом может быть окружен максимум 12
отсут кристаллическое строение материалов характеризуется не только ко-
° инационным числом, но и плотностью упаковки или коэффициентом ком-
°^ тности. Под плотностью упаковки обычно понимают число частиц, прихо-
" шхся на одну элементарную ячейку. Коэффициентом компактности назы-
яип долю объема элементарной ячейки, занятую атомами в виде шаровых мо-
делей- „
Простая кубическая решетка. Наиболее простои геометрической фор-
мой кристаллической решетки является кубическая. Элементарная ячейка таких
кристаллов представляет простой куб (рис.1.11, а), в узлах которого находятся 8
частиц (атомов, ионов или молекул), но каждая частица относится к 8 ячейкам,
т е данной ячейке принадлежит всего 1/8 каждой частицы, а всего из 8 частиц к
данной ячейке относится лишь 8x1/8=1. Это значит, что в простой кубической
решетке плотность упаковки п.у = 1. Расчет показывает, что для этой решетки
коэффициент компактности к.к = 0,52. В простой кубической решетке коорди-
национное число (к.ч) равно 6, т.е. определяется числом частиц, расположен-
ных на ребрах куба, стыкующихся в его вершине. Межатомное расстояние в
ячейке а называют параметром (или периодом) кристаллической решетки.
Плотноупакованные кубические решетки. Простая кубическая решет-
ка является неплотной и характерна для материалов с наличием значительной
доли ковалентных связей. При преобладании в кристаллах металлической связи
упаковка атомов обычно бывает более плотной. Так как в простой кубической
решетке свободными от атомов участками являются центр куба и. центры его
граней, то более плотные кубические упаковки обеспечиваются размещением
дополнительных атомов по одному из этих вариантов и их соответственно на-
зываются объемноцентрированной (ОЦК) и гранецентрированной (ГЦК) куби-
ческими решетками. Элементарные ячейки таких решеток схематично показа-
ны на рис. 1.11, б и в, а заполнение атомами этих ячеек (в модели твердых ша-
ров) приведено на рис. 1.12.
Рис. 1.11. Виды кристаллических решеток кубического типа:
а - простая; б - объемноцентрированная; в - гранецентрированная
16
а б
Рис. 1.12. Заполнение атомами элементарных ячеек плотноупакованных
кубических решеток: а - объемноцентрированной; б - гранецентрированной
В объемноцентрированной решетке п.у= 2 (одна частица в вершинах ку-
ба, как и в простой кубической решетке, и вторая частица в центре куба). В
этой решетке к.ч= 8, коэффициент компактности к.к= 0,68. Такая кристалличе-
ская решетка характерна для многих металлов (например, для РЬ, К, Na, Ti^,
Zi> W, V, Fe„ Cr, Nb, Ba и др.).
Блце более плотной является гранецентрированная кубическая решетка
(см. рис.1.11, в и 1.12, б). Характеристики этой решетки: к.ч=12, п.у=4,
к.к=0,74. Такую решетку имеют многие металлы, например, Сат Се, Pb, Ni, Ag,
Au, Pd, Pt, Fe,, Си, Сов и др.
Гексагональная плотноупакованная решетка. Очень плотной упаков-
кой частиц характеризуется кристаллическая решетка другой геометрической
формы: гексагональная плотноупакованная (г.п.у). Схематичное представление
такой решетки приведено на рис. 1.13, а, а расположение атомов в модели твер-
дых шаров - на рис. 1.13.6.
17
Характеристики решетки г.п.у: параметры решетки а и с; если частицы
бладают сферической симметрией, то а/с = 1,633; к.ч= 12; п.у= 6; к.к=0,74.
Решетку такого типа имеют металлы: Mg, Tim Cd, Re, Os, Ru, Zn, Со#Ве,СадИдр.
Ковалентные кристаллы имеют особую форму. Структура алмаза с ко-
ентными СВЯЗями была изображена на рис. 1.7. Так как координационное
число для алмаза равно 4, то коэффициент компактности составляет всего 0,34.
■Структура белого олова с промежуточными связями (частично с ковалентными
частично с металлическими) имеет уже более плотную упаковку (при
к.к=0,55).
Слоистые кристаллы. В слоистых структурах принцип координации
прослеживается только в пределах одного слоя, хотя параллельно расположен-
ные слои образуют трехмерную структуру. Слоистые молекулы имеют обычно
большие размеры. Примером может служить графит (рис. 1.14). Каждый слой
обладает прочными внутренними
связями, но слабыми связями с со-
седними слоями. Сопоставление
структур графита и алмаза объяс-
няет столь значительную разницу
свойств этих двух кристаллов угле-
рода. Алмаз с прочными ковалент-
ными трехмерными связями явля-
ется самым твердым из природных
материалов. Графит имеет прочные
связи внутри слоев, но слабые свя-
зи между отдельными слоями. Его
свойства чрезвычайно анизотроп-
ны, например, его тепло- и элек-
тропроводность могут меняться в
100 раз при измерениях перпенди-
кулярно и параллельно слоям.
АтопС
Рис. 1.14. Кристаллическая решетка
графита
Ионные кристаллы. В сложных кристаллах, состоящих из элементов
различной валентности, в узлах располагаются ионы. Представитель этой груп-
пы - кристалл оксида FeO, решетка которого состоит из отрицательно заряжен-
ных ионов кислорода и положительно заряженных ионов железа. Такой же
структурой обладают и многие другие кристаллы (CaO, MgO, LiF, NaCl, MnS.
ZrN и др.). Для ионных кристаллов координационное число определяется соот-
ношением радиусов металлического и неметаллического ионов, так как каждый
ион стремится притянуть к себе как можно больше ионов противоположного
знака. Ионы в решетке укладываются как шары разных диаметров. Радиус не-
металлического иона больше радиуса металлического, и поэтому металличе-
ские ионы заполняют поры в кристаллической решетке, образованной ионами
неметалла.
На рис Л. 15 приведена кристаллическая решетка FeO. Ионы кислорода
образуют ГЦК решетку, ионы железа занимают в ней поры. Каждый ион железа
№Ъ2*1&
Брянской г*ч-"Ч1пственной
■нженгрно-технологической i
академии
18
*Й=#Ш
J£SS°
О-о2 •
-Fe2
Рис. 1.15. Кристаллическая решетка FeO:
а - схема; б - пространственное изображение
окружен шестью ио-
нами кислорода и па-
оборот каждый ион
кислорода окружен
шестью ионами желе-
за. В связи с этим в
ионных кристаллах
нельзя выделить пару
ионов, которые можно
было бы считать моле-
кулой. При испарении
такой кристалл распа-
дается на молекулы.
Во многих ион-
ных кристаллах имеет-
ся доля ковалентной
связи, т.е. существует
смешанная ионно-
ковалентная связь.
Молекулярные кристаллы. В кристаллической решетке могут коорди-
нироваться не только атомы, но и молекулы. Так, метан СН« при затвердевании
образует кристаллы с ГЦК структурой. Молекулы метана занимают все узлы в
элементарной ГЦК ячейке (рис. 1.16). Но в связи со слабыми вандерваальсов-
скими связями температура плавления метана невелика.
Форма двухатомных молекул (Ог, N2, галоиды) не отвечает сферической
симметрии, поэтому они не образуют кристаллов с кубической структурой.
Особый вид имеют кристаллы, состоящие из сложных молекул. Образо-
вание кристаллических полимеров происходит в виде ограненных монокри-
сталлов, глобулярных кристаллов и поликристаллических агрегатов. Сложная
ромбическая решетка полиэтилена, состоящая из цепочечных молекул, приве-
дена на рис.1.17. Достаточно гибкие цепные молекулы при определенных усло-
виях свертываются в глобули и могут играть роль структурных элементов в
кристаллах полимеров.
Полиморфизм (аллотропия). Материалы одинакового состава могут
иметь разное строение. Разную молекулярную структуру имеют изомерные мо-
лекулы, железо в зависимости от температуры имеет разные кристаллические
решетки (ОЦК или ГЦК), резко различаются и кристаллические структуры уг-
лерода (алмаз и графит). Алмаз представляет собой
стабильную кристаллическую структуру углерода для области очень высоких
давлений, тогда как графит устойчив при обычных условиях.
Способность материала образовывать несколько кристаллических струк-
тур одинакового состава называют полиморфизмом, или аллотропией. Раз-
личные структуры одного и того же вещества, например металлов, называют
аллотропическими (или полиморфными) модификациями.
Рис. 1.16. Молекулярный кристалл ме- Рис. 1.17. Кристаллический по-
тана (сферические молекулы метана лиэтилен (расположение моле-
координируются в ОЦК структуру) кул-цепей образует ромбиче-
скую элементарную ячейку)
Полиморфизм широко распространен среди технических материалов и
имеет крайне важное значение для их обработки и эксплуатации. Так, термиче-
ская обработка стали основана на стабилизации ГЦК структуры железа при вы-
сокой температуре с переходом ее в ОЦК структуру во время охлаждения. По-
лиморфные фазовые превращения, аналогично плавлению или кипению, осно-
вываются на изменениях свободной энергии.
Анизотропия - это зависимость свойств кристалла от направления. Обу-
словлена она различием упаковки частиц в разных кристаллографических
плоскостях и наиболее сильно проявляется в кристаллах со структурами, обла-
дающими малой симметрией.
Анизотропия свойств кристаллов проявляется при использовании моно-
кристаллов. В поликристаллическйх материалах, состоящих из множества мел-
ких, различно ориентированных кристаллов, анизотропия не проявляется. Если
же в процессе обработки поликристаллическйх материалов происходит тексту-
рирование их структуры (т.е. ориентированное расположение однотипных уча-
стков структуры), то эти материалы также обладают анизотропией.
1.6. ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ
В реальных кристаллах всегда имеются дефекты. Их подразделяют по
геометрическим признакам на точечные, линейные, поверхностные и объем-
ные. Размеры точечного дефекта близки к межатомному расстоянию. У линей-
ных дефектов длина на несколько порядков больше ширины; у поверхностных
Дефектов мала толщина, а ширина и длина больше ее на несколько порядков.
иоьемные дефекты (поры, трещины) имеют значительные размеры во всех трех
направлениях.
Точечные дефекты. К самым простым точечным дефектам относятся ва-
кансии и межузельные атомы (рис. 1.18).
а б
Рис. 1.18. Точечные дефекты в кристаллической решетке:
а - вакансия; б - межузельный атом
Вакансия представляет собой пустой узел кристаллической решетки; ме-
жузельным называется атом, перемещенный из узла в позицию между узлами.
Вакансии и межузельные атомы появляются в кристаллах при любой тем-
пературе, выше абсолютного нуля из-за тепловых колебаний атомов. Каждой
температуре соответствует равновесная концентрация тепловых вакансий и
межузельных атомов. Так, в меди при температуре 20-25°С содержится 10"п
ат.% вакансий, а вблизи точки плавления - уже 0,01 ат.% (одна вакансия при-
ходится на 104 атомов).
Пересыщение точечными дефектами достигается при резком охлаждении
после высокотемпературного нагрева, при пластическом деформировании и
при облучении нейтронами. В последнем случае концентрация вакансий и ме-
жузельных атомов одинакова: выбитые из узлов решетки атомы становятся ме-
жузельными, а освободившиеся узлы - вакансиями. С течением времени избы-
ток вакансий сверх равновесной концентрации уничтожается на свободных по-
верхностях кристалла, порах, границах зерен и других дефектах решетки. Мес-
та, где исчезают вакансии, называются стоками вакансий. Убыль вакансий
объясняется их подвижностью и непрерывным перемещением в решетке. Со-
седний с вакансией атом может занять ее место и оставить свободным свой
узел, в который затем переходит другой атом.
Чем выше температура, тем больше концентрация вакансий и тем чаще
они переходят от узла к узлу. Вакансии являются самой важной разновид-
ностью точечных дефектов; они ускоряют все процессы, связанные с переме-
щениями атомов: диффузия, спекание порошков и т. д.
Точечные дефекты вызывают местное искажение кристаллической ре-
шетки, распространяющееся обычно на несколько соседних атомных слоев. Ис-
кажение вокруг межузельных атомов в плотноупакованных решетках значи-
тельно больше, чем вокруг вакансий.
21
Линейные дефекты. Линейные несовершенства имеют малые размеры в
змёренйях и большую протяженность в третьем измерении. К этим де-
ДВ^ относятся кРаевые и винтовые дислокации.
yfr^краевая дислокация (рис. 1.19) представляет собой локализованное иска-
'•' е кристаллической решетки, вызванное наличием в ней "лишней" атомной
Ж ^плоскости (или Экстраплоскости).,Наиболее простой и наглядный способ
пйазования дислокации в кристалле - сдвиг на одно межатомное .расстояние
одной части кристалла относительно другой.
Экстраплоскость
Рис. 1.19. Краевая дислокация (т - вектор сдвига):
а - сдвиг, создавший краевую дислокацию; б - пространственная схема
краевой дислокации; в - схема расположения атомов у дислокации.
Плоскость, в которой произошел сдвиг, называют плоскостью скольже-
ния, а линия пересечения экстраплоскости с плоскостью скольжения является
линией дислокации, вдоль которой и локализуется искажение кристаллической
решетки.
Размеры дефекта перпендикулярно линии дислокации не велики и не
превышают 3-5 межатомных расстояний. Дислокационные линии не обрывают-
ся внутри кристалла, они выходят на его поверхность, заканчиваются на других
дислокациях или образуют замкнутые дислокационные петли.
Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислока-
цию называют положительной и обозначают ■*- (рис. 1.19, в), а если в нижней -
то отрицательной и обозначают -р Различие между положительной и отрица-
тельной дислокациями чисто условное. Переворачивая кристалл, мы превраща-
ем отрицательную дислокацию в положительную. Знак дислокации важен при
анализе их взаимодействия.
Одним из параметров, характеризующих поведение дислокации, является
вектор Бюргерса (рис. 1.19, в), показывающий величину и направление сдвига в
процессе скольжения. Он характеризует степень искажения кристаллической
Решетки вокруг дислокации (упругая энергия искажения пропорциональна
квадрату вектора Бюргерса).
22
Кроме краевых различают еще винтовые дислокации. На рис. 1.20, а по-
казана пространственная модель винтовой дислокации. Это прямая линия EF
(рис. 1.20), вокруг которой атомные плоскости изогнуты по винтовой поверхно-
сти. Обойдя верхнюю атомную плоскость по часовой стрелке, приходим к краю
второй атомной плоскости и т.д. В этом случае кристалл можно представить
как состоящий из одной атомной плоскости, закрученной в виде винтовой по-
верхности. Винтовая дислокация образована неполным сдвигом кристалла по
плоскости Q. В отличие от краевой дислокации винтовая дислокация парал-
лельна вектору сдвига.
Рис. 1.20. Пространственная модель образования винтовой дислокации EF
в результате неполного сдвига по плоскости Q (а) и расположение атомов в об-
ласти винтовой дислокации (б)
Если винтовая дислокация образована движением по часовой стрелке, ее
называют правой, а против часовой стрелки -левой. Вокруг дислокаций на про-
тяжении нескольких межатомных расстояний возникают искажения решетки.
Энергия искажения кристаллической решетки является одной из важнейших
характеристик дислокации любого типа. Критерием этого искажения, как было
указано выше, служит вектор Бюргерса. В краевой дислокации вектор Бюргерса
перпендикулярен к ее линии, а в винтовой - параллелен ей. Если линия дисло-
кации имеет сложный характер, то она состоит из участков краевой и винтовой
дислокаций.
Дислокации образуются при кристаллизации металлов, а также в процес-
сах пластической деформации и фазовых превращений. Дислокации присутст-
вуют в металлических кристаллах в огромном количестве (106-1012 см"2) и обла-
дают легкой подвижностью и способностью к размножению.
Поверхностные дефекты. Эти дефекты малы только в одном измерении.
Они представляют собой поверхности раздела между отдельными зернами или
субзернами в поликристаллическом металле; к ним относятся также дефекты
упаковки.
23
В соседних зернах поли-
металлического материала
Металлические решетки ори-
ентированы различно. Граница
между зернами представляет
-обой переходный слой шири-
ной 1-5 нм (рис. 1.21). В нем
нарушена правильность распо-
ложения атомов, имеются ско-
пления дислокаций, повышено
количество примесных атомов.
Разориентировка между
кристаллическими решетками
в соседних зернах составляет
десятки градусов, поэтому та-
кие границы называют боль-
шеугловыми.
Каждый кристалл состо-
ит из отдельных субзерен
(рис.1,22) размерами 0,1-1
мкм. Субзерна разориентиро-
ваны относительно друг друга
от нескольких долей до единиц
градусов (не более 5°), поэтому
границы между ними называ-
ют малоугловыми. Обычно эти
границы имеют дислокацион-
ный характер и представляют
собой скопления дислокаций
одного знака (дислокационные
стенки).
Одной из разновидно-
стей плоских дефектов являет-
ся граница между симметрич-
но расположенными участками
■фисталла, называемыми двой-
никами. Относительно грани-
цы двойникования эти участки
шляются зеркальным отобра-
жением друг друга (рис.1.23).
Двойники могут появляться
при пластической деформации,
"Ристаллизации, отжиге де-
формированных кристаллов.
Зерно I
Граница
Зерно II
• •
• • •
> • • •
• • •
• • • • • •
• •••••
> • • • • •
• •• • • *•••••
w ш
Рис. 1.21. Схема строения большеугловых
границ (границ зерен)
Рис. 1.22. Дислокационный характер строе-
ния малоугловых границ (границ блоков)
След плоскости двойникования
Рис. 1.23. Одна из возможных схем образова-
ния двойников: 1 - положение атомов до
двойникования; 2 - совпадающее положение
атомов; 3 - двойниковое положение атомов
24
Объемные дефекты. Это поры, трещины, усадочные дефекты и т.п. OG-
разуются они при кристаллизации, фазовых превращениях, деформации и дру-
гих процессах.
1.7. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ
Кристаллизацией называют переход материалов из аморфного состояния
в кристаллическое. Частным (но наиболее часто встречающимся) случаем кри-
сталлизации является переход материалов из жидкого в твердое кристалличе-
ское состояние. Вместе с тем не следует отождествлять процессы кристаллиза-
ции и затвердевания, так как затвердевание может быть и без кристаллизации
(переход в твердое аморфное состояние), а кристаллизация не всегда связана с
затвердеванием в связи с возможностью образования жидких кристаллов.
Гомогенная (самопроизвольная) кристаллизация. Поскольку законо-
мерности кристаллизации являются общими, рассмотрим их на частном приме-
ре кристаллизации из жидкого состояния. Процесс кристаллизации (так же, как
и другие процессы фазовых превращений) обусловлен термодинамическим
фактором;:устойчивей является та фаза, уровень свободной энергии которой
ниже. Изменение свободной энергии жидкой и твердой кристаллической фаз в
зависимости от температуры показано на рис. 1.24.
Температура ? харак-
теризует равновесие обеих
фаз. Выше температуры I*
более устойчива жидкая фа-
за, имеющая меньший запас
свободной энергии, а ниже
этой температуры устойчива
твердая кристаллическая фа-
за. Процесс кристаллизации
развивается, если созданы
условия, когда возникает
разность свободных энергий
AF, образующаяся вследст-
вие меньшей энергии твер-
дой фазы по сравнению с
жидкой.
Следовательно, про-
цесс кристаллизации может
протекать только при пони-
жении температуры жидко-
сти ниже равновесной тем-
пературы т. Разность между
Рис. 1.24. Влияние температуры на уровень
свободной энергии жидкой и твердой кристал-
лической фаз:
AF - разность свободных энергий жидкой и
твердой фаз при температуре кристаллизации;
Т - температура равновесия фаз;
Тк — температура кристаллизации;
ДТ - степень переохлаждения
25
песной температурой Г* и температурой кристаллизации Тк называют пе-
л*рави _■.,.,_,, /ипи степенью переохлаждения):
ърват*
■аждением (или степенью переохлаждения)
AT=f-T„
Время, мин
Рис. 1.25. Кривые охлаждения мате-
риала из жидкого состояния с раз-
личными скоростями: V|< V2< V3
Термические кривые, характеризующие процесс кристаллизации чистых
' ^галлов при охлаждении с разной скоростью v, показаны на рис.1.25.
м Степень переохлаждения зави-
сит от скорости охлаждения. При
очень медленном охлаждении степень
переохлаждения невелика и процесс
кристаллизации протекает при темпе-
ратуре, близкой к равновесной f'. На
кривой охлаждения образуется гори-
зонтальная площадка, что объясняет-
ся выделением скрытой теплоты кри-
сталлизации, компенсирующей отвод
теплоты при охлаждении.
С увеличением скорости охла-
ждения степень переохлаждения воз-
растает и процесс кристаллизации
протекает при температурах, лежа-
щих значительно ниже равновесной
температуры кристаллизации. При
большом переохлаждении возможно
даже повышение температуры на определенных этапах кристаллизации (на-
пример, при скорости охлаждения V3). Это явление называют рекалесценцией.
Чем чище жидкий металл, тем более он склонен к переохлаждению. Так,
при охлаждении очень чистой сурьмы степень переохлаждения может^ дости-
гать 135°С. Однако чаще степень переохлаждения не превышает 10-30°С.
Изучением процесса кристаллизации занимался Д.К. Чернов, который ус-
тановил, что кристаллизация начинается с образования кристаллических заро-
дышей (центров кристаллизации) и продолжается в процессе роста их числа и
размеров. При переохлаждении сплава ниже равновесной температуры во мно-
гих участках жидкого сплава образуются устойчивые, способные к росту кри-
сталлические зародыши. Пока образовавшиеся кристаллы растут свободно, они
имеют более или менее правильную геометрическую форму. Однако при
столкновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается. В ре-
зультате растущие кристаллы получают неправильную внешнюю форму и по-
этому их называют кристаллитами, или зернами.
Количество зерен зависит от числа зародышей. Чем больше переохлаж-
дение, тем больше образуется зародышей И тем мельче должна быть структура
°Осле кристаллизации. Однако процесс кристаллизации определяется не только
термодинамическими факторами (понижением устойчивости жидкой фазы), но
и кинетическими факторами (скоростью диффузионных процессов). Законо-
26
AT, AT2 A7>
Степень переохлаждения
Рис. 1.26. Зависимости скорости
роста кристаллов (с.р) и числа цен-
тров кристаллизации (ч.ц) от сте-
пени переохлаждения
мерности влияния этих факторов на процесс кристаллизации установил Там-
ман. На рис. 1.26 приведены зависимости Таммана для числа центров кристал-
лизации (ч.ц) и скорости роста кристаллов (с.р). Оба эти параметра зависят от
степени переохлаждения. При равно-
весной температуре Т (т.е. при ДТ=0)
их величины равны нулю и процесс
кристаллизации идти не может. С
увеличением переохлаждения значе-'
ния ч.ц и с.р возрастают, достигают
максимумов и затем понижаются, па-
дая практически до нуля при очень
больших переохлаждениях.
Экстремальный характер обеих
кривых обусловлен, как было указано
выше, влиянием двух факторов (тер-
модинамического и кинетического). С
увеличением переохлаждения жидкая
фаза становится менее устойчивой и
легче кристаллизуется, но по мере
уменьшения температуры кристалли-
зации снижается подвижность атомов (замедляются диффузионные процессы).
При сравнительно небольших переохлаждениях преобладающим является
влияние первого фактора, а при больших переохлаждениях - влияние второго
фактора. Характерно также, что максимумы на обеих кривых не совпадают по
степени переохлаждения: замедление диффузионных процессов сильнее прояв-
ляется на скорости роста кристаллов.
Размер образовавшихся кристаллов (зернистость структуры) зависит от
соотношения величин с.р и ч.ц При небольших переохлаждениях (JTt на
рис. 1.26) ч.ц не велико, а с.р достигает почти максимальных значений. В этом
случае формируется крупнозернистая структура. При повышенных скоростях
охлаждения и больших переохлаждениях (АТ2 на рис. 1.26) число центров кри-
сталлизации резко увеличивается, а скорость роста кристаллов уменьшается,
что приводит к формированию мелкозернистой структуры. Если же очень
сильно переохладить жидкость (до ДТ3 на рис. 1.26), то ч.ц и с.р становятся рав-
ными нулю и жидкость затвердевает без кристаллизации, т.е. переходит в твер-
дое аморфное состояние. Металлические материалы с такой структурой полу-
чили название аморфные сплавы, или металлические стекла.
Аморфное состояние. Обеспечивает металлическим материалам свойст-
ва, значительно отличающиеся от свойств соответствующих материалов с кри-
сталлической структурой. Получены материалы, характеризующиеся высокой
магнитной проницаемостью и очень малой коэрцитивной силой, с высокой маг-
нитной энергией, с высоким электрическим сопротивлением. Аморфные метал-
лические материалы удачно сочетают высокие прочность, твердость и износо-
стойкость с хорошей пластичностью и коррозионной стойкостью. Большое
27
ское значение имеет также и возможность получения аморфных ме-
|^**> виде ленты, проволоки диаметром несколько микрометров непос-
т*яяов 0 дрд ЛИТье, минуя такие дорогостоящие операции, как ковка, про-
Згеа. волочение, промежуточные отжиги, зачистки, травление.
«^^Затвердевание с образованием аморфной структуры принципиально воз-
*4MMSпрактически для всех металлов. Сверхвысокие скорости охлаждения
*^Уякого металла (>106°С/с) для получения аморфной структуры можно реали-
jffn; такими способами, как катапультирование капли на холодную пластину,
"^гпжфугирование капли или струи, распыление струи газом или жидкостью и
^Наиболее эффективными способами получения лент, пригодных для прак-
iriecKoro применения, считают охлаждение жидкого металла на внешней или
•техренней поверхностях вращающихся барабанов, изготовленных из материа-
ле' высокой теплопроводности, прокатку между холодными валками металла,
подаваемого в виде струи. Тонкий слой аморфного металла получают при рас-
плавлении поверхности изделий лазерным лучом, из-за быстрого отвода тепло-
ты при затвердевании массы основного металла. Металлические аморфные ма-
териалы можно получить не только при затвердевании из жидкого состояния,
но и путем сверхбыстрого охлаждения из газовой среды, электролизом и катод-
ным распылением с высокими скоростями осаждения.
Гетерогенная кристаллизация. Самопроизвольное образование заро-
дышей может происходить только в высокочистой жидкой фазе при достаточно
больших степенях переохлаждения.
' - Чаще источником образования зародышей являются всевозможные твер-
дые частицы (неметаллические включения, оксиды и т. д.), которые всегда при-
сутствуют в расплаве (жидкой фазе). Если частицы примеси имеют одинаковую
кристаллическую решетку с основной решеткой материала (так называемые
изоморфные примеси) и параметры сопрягающихся решеток примеси и кри-
сталлизующегося вещества примерно одинаковы (отличие не превышает 9 %),
то Они играют роль готовых центров кристаллизации.
Структурное сходство между поверхностями сопряжения зародыша и
частицы посторонней примеси приводит к уменьшению размера критического
зародыша, работы его образования, и затвердевание жидкости начинается при
меньшем переохлаждении, чем при самопроизвольном зарождении.
?' Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем мельче
получается зерно. Такое образование зародышей называют гетерогенным.
■ Модифицирование. Использование специально вводимых в расплав ве-
ществ для получения мелкого зерна по описанному выше механизму называют
м°оифиг(ированием, а сами вводимые вещества - модификаторами. Модифи-
цирование часто применяют в качестве заключительной операции при обработ-
** жидких сплавов. Модификаторы, практически не изменяя химического со-
става сплава, вызывают при кристаллизации измельчение зерна и в итоге улуч-
шение механических свойств. Так, при модифицировании магниевых сплавов
эеРио уменьшается с 0,2-0,3 до 0,01-0,02 мм. Модифицирование часто проводят
"ведением в расплав добавок, которые образуют тугоплавкие соединения
28
(карбиды, нитриды, оксиды), кристаллизирующиеся в первую очередь. Выде-
ляясь в виде мельчайших частиц, эти соединения служат зародышами обра-
зующихся при затвердевании кристаллов (модификаторы I рода). В качестве
таких модификаторов при производстве алюминиевых сплавов применяют Ti,
V, Zr; при производстве стали - Al, V, Ti. Иногда используют растворимые в
жидком металле вещества (модификаторы II рода), избирательно адсорбирую-
щиеся на кристаллическом зародыше и затрудняющие рост кристаллов. Для
алюминиевых сплавов в качестве модификаторов II рода используют Li, Na, К,
для стали -г- редкоземельные элементы (РЗМ).
Форма кристаллических образований. Реально протекающий процесс
кристаллизации усложняется действием различных факторов, в столь сильной
степени влияющих на процесс, что роль степени переохлаждения может стать в
количественном отношении второстепенной. При кристаллизации из жидкого
состояния большое значение имеют такие факторы, как скорость и направление
отвода тепла, наличие нерастворившихся частиц (которые могут служить цен-
трами гетерогенной кристаллизации), конвекционных токов жидкости и т. д.
В направлении отвода тепла кристалл растет быстрее, чем в другом на-
правлении. Кристалл имеет способность расти и в боковом направлении. В ре-
зультате образуется древовидный кристалл, так: называемый дендрит, структу-
ра которого (рис.1.27) впервые была изображена Д.К. Черновым.
Дендритное строение типично для литого метал-
ла. Если условия благоприятны, охлаждение мед-
ленное, то могут вырасти дендриты огромного
размера.
Дендрит состоит из ствола (ось первого по-
рядка), от которого идут ветви (оси второго и по-
следующих порядков). Чем быстрее было охлаж-
дение при кристаллизации, тем меньше размеры
(высота) дендрита и меньше расстояния между
ветвями.
Дендритное строение выявляется после
специального травления шлифов, поскольку все
Рис. 1.27. Схема дендрит- промежутки между ветвями дендритов заполне-
ного кристалла ны и видны обычно только места стыков дендри-
тов в виде границ зерен. Правильная форма денд-
ритов искажается в результате столкновения и срастания частиц на поздних
стадиях процесса кристаллизации.
Строение металлического слитка. При затвердевании слитка кристал-
лизация начинается у поверхности формы и происходит вначале преиму-
щественно в примыкающем к поверхности тонком слое сильно переохлажден-
ной жидкости. Вследствие большой скорости охлаждения это приводит к обра-
зованию на поверхности слитка очень узкой зоны 1 сравнительно мелких рав-
ноосных кристаллов (рис. 1.28). За зоной 1 в глубь слитка расположена зона 2
удлиненных дендритных кристаллов (зона столбчатых кристаллов). Рост этих
л
29
кристаллов происходит в направлении отвода тепла, т.е. нормально к стенкам
изложницы. В осевой части слитка возможно формирование зоны 3 — зоны рав-
ноосных кристаллов.
В зоне столбчатых кри-
сталлов металл более плот-
ный. Однако слабым местом
этой зоны являются места
стыка столбчатых кристаллов;
здесь при последующей обра-
ботке слитка давлением могут
возникнуть трещины.
При сильном перегреве
расплава, быстром охлажде-
нии, высокой температуре ли-
тья и спокойном заполнении
формы зона столбчатых кри-
сталлов может распростра-
ниться и на осевую часть
слитка, исключив образование
3-й зоны. Это явление назы-
вают транскристаллизацией.
В верхней части слитка
из-за разности плотностей
жидкой и твердой фаз обра
Рис. 1.28. Схема строения стального слитка:
1 - зона мелких равноосных кристаллов;
2 - зона столбчатых кристаллов;
3 - осевая зона равноосных кристаллов;
4 - усадочная раковина;
5 - усадочная рыхлота
зуются пустоты, называемые усадочной раковиной (концентрированная пусто-
та) и усадочной рыхлотой (рассредоточенные мелкие пустоты). Верхнюю-часть
слитка с усадочными дефектами называют прибылью. Прибыль отрезают от
слитка и для обработки давлением используют только здоровую часть слитка
(без прибыли).
Полиморфные превращения. Переход материала из одной кристалличе-
ской формы (модификации) в другую под влиянием внешних факторов (темпе-
ратуры, давления) называют полиморфным превращением. Полиморфное пре-
вращение представляет собой перекристаллизацию и для него характерны те же
закономерности, что и для процесса кристаллизации. Как и при кристаллизации
из жидкой фазы, чтобы полиморфное превращение протекало, нужно переох-
лаждение (или перегрев) относительно равновесной температуры для возник-
новения разности свободных энергий между исходной и образующейся моди-
фикациями. При полиморфном превращении (в отличие от кристаллизации из
жидкой фазы) возможно достижение очень больших степеней переохлаждения.
Зародыши новой модификации наиболее часто возникают на границах зе-
рен исходных фаз. Вновь образующиеся кристаллы закономерно ориентирова-
ны по отношению к кристаллам исходной модификации. Полиморфное пре-
вращение сопровождается скачкообразным изменением всех свойств материала
30
1.8. ДЕФОРМАЦИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Деформацией называют изменение размеров и формы тела под воздейст-
вием приложенных сил. Деформация вызывается действием внешних сил, при-
ложенных к телу, или силами, возникающими в самом теле при протекании фи-
зико-механических процессов.
Внешние нагрузки, действующие на элементы конструкций и машин,
распределены по некоторой площади или объему. Распределенные нагрузки
могут быть поверхностными (например, давление воды или пара на стенку тру-
бы) и объемными (например, силы тяжести, инерции, магнитного притяжения).
Однако для упрощения расчетов распределенную нагрузку можно заменить
равнодействующей сосредоточенной нагрузкой.
В зависимости от изменения во времени нагрузки подразделяются на
статические и динамические. Статические нагрузки характеризуются малой
скоростью изменения своей величины. Динамические нагрузки изменяются во
времени с большими скоростями, например при ударном нагружении.
В зависимости от характера действия нагрузки подразделяют на растя-
гивающие, сжимающие, изгибающие, скручивающие, срезывающие. Изменение
нагрузки может иметь периодически повторяющийся характер, вследствие чего
их называют повторно-переменными, или циклическими. В разнообразных ус-
ловиях эксплуатации конструкций и машин воздействие перечисленных нагру-
зок может проявляться в различных их сочетаниях.
Под воздействием внешних нагрузок, а также структурно-фазовых пре-
вращений в материале конструкции возникают внутренние силы, которые мо-
гут быть выражены через внешние нагрузки. Внутренние силы, приходящиеся
на единицу площади поперечного сечения тела, называют напряжениями. Вве-
дение понятия напряжений позволяет проводить расчеты на прочность конст-
рукций и их элементов.
В простейшем случае осевого растяжения цилиндрического стержня на-
пряжение о в поперечном сечении легко определить как отношение растяги-
вающей силы Р к площади поперечного сечения F0> т. е. о = Р / F0. В общем
случае, когда сила Р не перпендикулярна плоскости рассматриваемого сечения
F|, полное напряжение 0\ можно разложить на две составляющие: нормальное
напряжение ст„, направленное перпендикулярно данной плоскости, и касатель-
ное т, направленное вдоль этой плоскости.
После снятия внешней нагрузки в теле могут оставаться внутренние на-
пряжения. Причиной возникновения внутренних напряжений могут быть также
резкие перепады температур и структурно-фазовые превращения, происходя-
щие в процессе технологической обработки материалов. Существует следую-
щая классификация внутренних напряжений:
• внутренние напряжения первого рода - напряжения, возникающие ме-
жду крупными частями тела (макроскопические напряжения);
• внутренние напряжения второго рода - напряжения, возникающие ме-
жду смежными зернами или внутри зерен (микроскопические напряжения);
31
• внутренние напряжения третьего рода - напряжения, возникающие
;5тои объема, охватывающего несколько ячеек кристаллической решетки
^Микроскопические напряжения).
' Действие внешних сил приводит к деформации тела. Различают два вида
«Й1помаЦИИ: упругую и пластическую. Деформация, исчезающая после раз-
очки называется упругой, а остающаяся в теле - пластической (остаточной).
я процессе упругой деформации атомы в кристаллической решетке не-
йчительно смещаются друг относительно друга. Чем больше изменяются рас-
тояния между атомами, тем больше становятся силы межатомного взаи-
олействия. При снятии внешней нагрузки под действием этих сил атомы воз-
оащаются в исходное положение, искажения решетки исчезают, а тело прини-
мает первоначальные форму и размеры. В процессе пластической деформации
атомы в кристаллической решетке смещаются на большие расстояния, чем при
упругой деформации, причем это смещение становится необратимым. После
снятия нагрузки в результате пластической деформации размеры и форма тела
изменяются.
При достижении достаточно высоких напряжений деформация может за-
вершиться разрушением тела. Процесс разрушения состоит из нескольких ста-
дий: зарождение микротрещин, образование макротрещин, распространение
макротрещины по всему сечению тела. Различают два вида разрушения: вязкое
и хрупкое. Вязкое разрушение происходит срезом под действием касательных
напряжений и сопровождается значительной пластической деформацией. Для
вязкого разрушения характерен волокнистый (матовый) излом детали. Хруп-
кое разрушение происходит под действием нормальных растягивающих напря-
жений, вызывающих отрыв одной части тела от другой без заметных следов
макропластической деформации. Для хрупкого разрушения характерен кри-
сталлический (блестящий) излом.
Возникновение микротрещин при вязком и хрупком разрушениях проис-
ходит путем скопления дислокаций перед границами зерен или другими пре-
пятствиями (неметаллические включения, карбидные частицы, межфазовые
границы и др.), что приводит к концентрации напряжений. При анализе микро-
структуры различают транскристаллитное (по телу зерна) и интеркристал-
яитное (по границам зерен) разрушения. Разрушение металла в условиях экс-
плуатации конструкций и машин может быть не только вязким или хрупким, но
и смешанным - вязкохрупким (с возможным преобладанием одного из видов
Разрушения).
Особенности свойств металлических и неметаллических материалов.
™ свойств, которыми могут обладать материалы, механические свойства в
"ЗДьшинстве случаев являются важнейшими и определяют поведение материа-
Лову">словиях эксплуатации.
, Все наиболее ответственные детали и изделия изготовляют из металлов, а
из стекла, пластмасс или камня, чтобы обеспечить им необходимую надеж-
свпв^ ^ Металлах особенность связи определяет их способность к пластиче-
Дсформации и к самоупрочнению в результате пластической деформации.
32
Поэтому если внутри материала есть дефект или форма детали такова, что
имеются концентраторы напряжений, то в этих местах напряжения достигаю!
большой величины и может возникнуть даже трещина. Но так как пластичность
металла высока, то в этом месте, в том числе в устье трещины, металл пласти-
чески продеформируется, упрочнится и процесс разрушения приостановится.
У неметаллов этого не наблюдается. У них не будет пластической дефор-
мации и самоупрочнения: произойдет разрушение, как только в устье дефекта
напряжения превзойдут некоторую величину.
Этими обстоятельствами и обусловлено то, что металлы являются наибо-
лее надежными конструкционными материалами; по надежности неметалличе-
ские материалы им значительно уступают в силу особенностей своей природы.
Механизмы пластической деформации. Пластическая деформация в
монокристалле осуществляется путем сдвига одной его части относительно
другой. Сдвиг вызывают касательные напряжения, когда их значение превыша-
ет критическое. Имеются две разновидности сдвига: скольжение и двойникова-
ние (рис. 1.29).
Рис.1.29. Схемы пластической деформации скольжением (а)идвойникованием (б)
При скольжении одна часть кристалла смещается параллельно другой
части вдоль плоскости, называемой плоскостью скольжения, или сдвига
(рис. 1.29, а). Скольжение - основной вид сдвига в металлах и сплавах. Дефор-
мация двойникованием представляет собой перестройку части кристалла в но-
вое положение, зеркально симметричное к его недеформированной части
(рис. 1.29, б, 1.30). Плоскость зеркальной симметрии называют плоскостью
двойншования. Часть кристалла, в которой в результате двойникования про-
изошла переориентация кристаллической решетки, называют двойником де-
формации. По сравнению со скольжением двойникование имеет второстепен-
ное значение. Роль двойникования возрастает, когда скольжение затруднено. В
металлах с ОЦК и ГЦК решетками двойникование наблюдается лишь при низ-
ких температурах или высоких скоростях деформирования. При нормальных
условиях в металлах с ГПУ решеткой деформация развивается как двойникова-
нием, так и скольжением.
Деформация скольжением развивается по плоскостям с наибольшей
плотностью упаковки. Плоскость скольжения вместе с направлением сколь-
33
'V'
жения,
лежаш
кости,
лежашим
Двойники
Рис. 1.30. Схема процесса двойникования:
препятствие сдвигу (например, в виде дефекта
кристаллической решетки)
принад-
зтой. плос-
образует си-
стему скольжения.
Число систем сколь-
1 асения неодинаково в
металлах с разным
типом решеток. У ме-
таллов с ГЦК решет-
кой (Си, Al, Ni и др.)
имеются четыре
плоскости скольже-
ния и три направле-
ния скольжения, что
образует 12 эквивалентных систем скольжения. В металлах с ОЦК решеткой
имеются 48 систем скольжения, у металлов с ГПУ решеткой (Mg, Zn) скольже-
ние развивается по плоскости базиса, в которой находятся три эквивалентных
направления. Эти металлы менее пластичны, чем металлы с ОЦК и ЩК решет-
ками. У циркония и титана скольжение идет по плоскостям базиса, пирами-
дальным и призматическим плоскостям, так как близки значения критических
напряжений сдвига в этих плоскостях. Поэтому эти металлы более пластичны,
чем магний или цинк, у которых скольжение идет только по плоскостям базиса.
В идеальном кристалле, в котором нет дефектов структуры, в скольжении
должны одновременно участвовать все атомы, находящиеся в плоскости сдвига
(рис. 1.31), т.е. все атомы части кристалла выше плоскости скольжения А-А
смещаются одновременно под действием напряжения г и из положения а по-
следовательно переходят в положения бив. Для такого синхронного сдвига
требуется, как показывают расчеты, критическое касательное напряжение, на-
зываемое теоретической прочностью кристалла.
4—1 >—<►—-,
Г^
i—чи—<н-н
>—<>-~м о—immmmi <(—41-н
р.
*-■♦ • О
ИНМНН!
Рис. 1.31. Схема пластического сдвига в идеальной кристаллической
решетке: А-А - плоскость скольжения; т - сдвиговое напряжение
34
В реальных кристаллах для сдвига на одно межатомное расстояние тре-
буются напряжения в 1000 раз меньше теоретического значения», Низкая проч-
ность реальных кристаллов обусловлена их структурным несовершенством.
Пластическая деформация в реальных кристаллах осуществляется путем
последовательного перемещения дислокаций (рис. 1.32). Дислокация легко
движется в той плоскости, в которой находятся дислокационная линия и ее век-
тор Бюргерса (т.е. в плоскости скольжения). Под действием касательного на-
пряжения избыточная полуплоскость в верхней части кристалла соединяется в
одну атомную плоскость с расположенной ниже частью соседней атомной
плоскости. Оставшаяся ее часть становится новой полуплоскостью, которая за-
канчивается краевой дислокацией. Незначительного смещения небольшой
группы атомов оказывается достаточно для перемещения дислокации на одно
межатомное расстояние.
а б в
Рис. 1.32. Дислокационная схема пластического сдвига (схема деформации
скольжением): а - положение дислокации до деформации, б - изменение по-
ложения дислокации при деформации, в - выход дислокации на поверхность
кристалла; А-А - плоскость скольжения, т - сдвиговое напряжение, 1-6 и
1 -6 - расположение атомов по обе стороны от плоскости скольжения
При постоянно действующем напряжении дислокация как бы по эстафете
передается от одной атомной плоскости к другой, последовательно вытесняя
при этом каждый соседний «правильный» ряд атомов (рис. 1.32, б). Процесс по-
вторяется до тех пор, пока дислокация не выйдет на поверхность кристалла и
его верхняя часть сдвинется относительно нижней на одно межатомное рас-
стояние (рис. 1.32, в). При этом на поверхности кристалла образуется ступенька
величиной в вектор Бюргерса.
Скольжение дислокаций не связано с диффузией, так как происходит без
переноса массы. Этим объясняется сравнительная легкость такого передвиже-
ния дислокаций и при отрицательных температурах, когда скорость диффузии
мала.
Текстура деформации. В плоскости скольжения обычно расположены
десятки дислокаций. Их последовательное перемещение вдоль плоскости
35
скольжения развивает процесс пластического течения. Высота ступеньки при
<-этЬм увеличивается пропорционально числу дислокаций, выходящих на по-
ijjipxHOCTb кристалла. Ступенька, видимая под микроскопом, называется линией
о&Шгьжения. Деформация развивается неоднородно, линии скольжения распо-
.„Лосутся на различном расстоянии друг от друга. Группы близко рас-
noi8*eHHbIX линий скольжения образуют полосы скольжения (рис.1.33). Эти
волосы часто называют полосами Людерса-Чернова по фамилиям ученых,
впервые их описавших. Начальную стадию деформации называют стадией лег-
£0$о скольжения; деформация монокристалла на этой стадии может достигать
.десятков процентов. С ростом деформации процесс распространяется на другие
системы скольжения, и возникает множественное скольжение, в результате че-
го образуется сложная дислокационная структура.
Полосы
скольжения
Блоки де-
формации
Текстура
деформации
а б
. Рис.1.33. Изменение формы зерна в процессе пластической деформации и
образование текстуры деформации: а - схема и микроструктура металла до
,, . деформации; б - схема и микроструктура металла после деформации
Части кристалла, разделенные полосами скольжения, называют блоками
деформации. При больших степенях деформации происходит смещение и раз-
>;*ЧР0Т блоков деформации вдоль направления действия растягивающих сил Р с
образованием вытянутых кристаллов. В этом случае при деформации поликри-
сталлических материалов возникает преимущественная ориентация кристалло-
графических плоскостей и направлений в зернах (рис. 1,33, б). Закономерная
^иентация кристаллов относительно внешних деформационных сил получила
,лТ3вание текстуры деформации.
*;., Чем больше степень деформации, тем большая часть кристаллических зе-
£u получает преимущественную ориентацию (текстуру). Характер текстуры
«*5*СИТ от природы металла и вида деформации (прокатка, волочение и т.д.).
^оразование текстуры способствует появлению анизотропии механических и
физических свойств.
36
в
процессе скольжения возникают новые
и их плотность повышается от 108 до 1012 см^ (более высокую
Размножение дислокаций
дислокации
плотность получить нельзя из-за появления трещин и разрушения металла).
Плотностью дислокаций р называют суммарную длину всех линий дислокаций
v / в единице объема кристалла, т.е. р = £ / IV, где V — объем (/ - в см\ V - в
см3, р - в см"2).
Существует несколько механизмов образования новых дислокаций, важ-
ным из них является источник Франка-Рида (рис. 1.34). Под действием каса-
тельного напряжения закреп-
II IV
I
I
ттт
/1Г*3\
^О
TV?
VI
Рис. 1.34. Схема действия источника
Франка-Рида: I—VII - последовательные
стадии
ленная дислокация выгибается,
пока не примет форму полуок-
ружности. С этого момента изо-
гнутая дислокация распростра-
няется самопроизвольно в виде
двух спиралей. При встрече
спиралей возникают расши-
ряющаяся дислокационная пет-
ля и отрезок дислокации. Отре-
зок занимает исходное положе-
ние, и генератор дислокаций
готов к повторению цикла.
Один источник Франка-Рида
способен образовать сотни но-
вых дислокаций.
Взаимодействие дислокаций. Деформационное упрочнение. Дислока-
ции, перемещаясь в процессе пластической деформации, взаимодействуют друг
с другом и с другими дефектами кристаллического строения. Дислокации, рас-
положенные в одной плоскости скольжения, будут взаимно отталкиваться, если
они одного знака, или взаимно притягиваться, если они разных знаков
(рис. 1.35). Объясняется это тем, что при сближении дислокаций одного знака
общее искажение кристаллической решетки увеличивается (что приводит к по-
вышению уровня свободной энергии), а при сближении дислокаций разных
знаков - уменьшается вплоть до полного устранения искажения с аннигиляцией
(взаимным уничтожением) дислокаций.
При пластической деформации дислокации взаимодействуют с любыми
искажениями кристаллической решетки, которые встречаются на пути их пере-
мещения. Эти искажения, являющиеся препятствиями на пути движения дисло-
каций, могут вызываться дислокациями в пересекающихся плоскостях сколь-
жения, точечными дефектами, примесными атомами и высокодисперсными
включениями других твердых фаз (иногда называемых стопорами). Для прохо-
ждения дислокации через препятствия (рис. 1.36) необходима дополнительная
энергия (или увеличение сдвигового напряжения t) для деформации линии и ее
разрыва с образованием замкнутых петель на препятствиях.
37
I
*"'Т
®1
®]
®"
а 6 в
Рис. 1.36. Схема прохождения дис-
локации через препятствия: а - под-
ход к препятствиям; б - прорыв че-
рез препятствия и образование дис-
:< ' локационных колец; В - дислокация
; * после прорыва
; .,, Если дислокация встречает на своем пути непроницаемые для нее вклю-
чения (стопоры), то она проходит через них, разрезая эти включения (рис. 1.37)
i и оставляя вокруг них дислокационные петли.
Рис. 1.35. Взаимодействие дислокаций,
расположенных в одной плоскости
, скольжения: а — дислокации одного
знака; б - дислокации разных знаков
WW~4
гис.1.37. Схема последовательных стадий перемещения дислокаций через сто-
Й$?РЫ с их РазРезанием: А-А - плоскость скольжения дислокаций; b-вектор
Бюргерса; п - число прошедших дислокаций
if*:*.,
щщ- Прохождение дислокаций через препятствия связано с увеличением сдви-
^З^ого напряжения. Это значит, что в процессе пластической деформации про-
*Щ~!ДИТ повышение прочностных свойств, которое называют деформационным
{/ирочнением или наклепом (нагартовкой). Степень этого упрочнения зависит
,^г количества препятствий и энергии, необходимой для их преодоления.
tfc Возможен еще один механизм деформационного упрочнения: скопление
дислокаций у границ зерен из-за непроницаемости границ (рис. 1.38).
№%. *аким образом, прочностные свойства кристаллов зависят от числа де-
^**т°в их строения, в частности от плотности дислокаций, что схематично
"Редставлено на Рис-1 -39.
38
•*
Jx-i-i-iV
Плоскость скольжения
Граница
зерна
Рис. 1.38. Один из возможных механизмов деформационного упрочнения:
граница зерна или другое препятствие останавливает дислокацию, что делает
невозможным продвижение следующих дислокаций
В бездислокационном кристал-
ле обеспечивается теоретическая
(максимально высокая) прочность. В
специально выращиваемых монокри-
сталлах (так называемых "усах")
плотность дислокаций очень мала, в
связи с чем они обладают высокой
прочностью. Существует критическая
плотность дислокаций, при которой
прочностные свойства кристаллов
минимальны. При большем количест-
ве дислокаций прочность начинает
возрастать. Поскольку особенно ин-
тенсивно плотность дислокаций уве-
личивается при пластической дефор-
мации, правый (восходящий) участок
кривой на рис. 1.39 соответствует де-
формационно упрочненным метал-
лам.
Влияние степени пластической
деформации на механические свойст-
ва металлов схематично представлено
на рис. 1.40. С увеличением степени
деформации возрастают прочностные
свойства (предел прочности ов и пре-
дел текучести о0,г), но значительно
„ , , снижается пластичность (относитель-
ное удлинение S). Обе прочностные
характеристики у сильно наклепанных металлов сравниваются по величине, что
соответствует предельному состоянию наклепа: при попытке продолжить де-
формирование металл разрушается.
Плотность дислокаций
Рис. 1.39. Схема влияния плотности
дислокаций на прочностные свойст-
ва кристаллических материалов: 1 -
теоретическая прочность; 2 - проч-
ность монокристаллов ("усов"); 3 -
прочность металла до деформации; 4
- область реальных прочностных
свойств металлов; 5 - прочность де-
формированных металлов (область
деформационного упрочнения)
39
Степень деформации £
Рис. 1.40. Схема зависимости меха-
нических свойств металла от степени
деформации: е— критическая сте-
пень деформации, соответствующая
предельному состоянию наклепа
Разрушение металлов. Под
разрушением понимают процесс за-
рождения и развития в металле тре-
щин, приводящий к разделению его на
части. Разрушение происходит в ре-
зультате или развития нескольких
трещин, или слияния рядом располо-
женных трещин в одну магистральную
трещину, по которой происходит пол-
ное разрушение.
Разрушение может быть хруп-
ким и (или) вязким. Механизм зарож-
дения трещин одинаков как при хруп-
ком, так и при вязком разрушении.
Возникновение микротрещин чаще
происходит из-за скопления движу-
щихся дислокаций при пластической
деформации перед препятствием (гра-
ницами зерен, межфазными граница-
ми, перед всевозможными включения-
ми и т. д.) (рис. 1.38). В месте скопле-
ния дислокаций они могут прийти в
столь тесное соприкосновение, что их экстраплоскости сливаются, а под ними
образуется зародышевая трещина (рис.1.41) в плоскости, перпендикулярной к
плоскости скольжения, когда плотность дислокаций достигает 1012 -1013 см_г.
При хрупком разрушении возникшая трещина становится нестабильной и
растет самопроизвольно, если ее длина (при заданном напряжении) превышает
некоторое критическое значение, а вершина трещины сохраняет остроту, соиз-
меримую (по радиусу у вершины) с атомными раз-
мерами. Скорость распространения хрупкой трещи-
ны весьма велика. Для стали скорость роста трещи- •••••• •••
ны достигает 2500 м/с. Поэтому нередко хрупкое •»•••• • • •
разрушение называют «внезапным», или «катаст-
рофическим», разрушением. Вязкое разрушение
обусловлено малой скоростью распространения тре-
щины.
С точки зрения микроструктуры существуют
№а вида разрушения - транскристаллитное и ин-
**ркристаллитное. При транскристаппитном раз-
умении трещина распространяется по телу зерна, а
чри интеркристаплитном она проходит по гр^ани-
ч**« зерен. При распространении трещины по телу
зерна может происходить как вязкое, так и хрупкое
крушение. Межзеренное разрушение всегда является хрупким; оно присутст-
Рйс.1.41. Схема обра-
зования трещины
вует всегда, но больше проявляется при хрупком разрушении. Хрупкому раз- '
рушению соответствует светлый излом, поверхность разрушения которого ха- *
растеризуется наличием блестящих плоских участков. При вязком разрушении j
излом матовый, так как поверхность разрушения содержит мелкие уступы — во- ^
локна, образующиеся при пластической деформации зерен в процессе разруше- ,
ния. Часто встречается смешанный характер разрушения с наличием элементов |
вязкого и хрупкого излома. Межзеренное хрупкое разрушение облегчается при »
выделении по границам зерен частиц хрупкой фазы.
Многие металлы (Fe, Mo, W, Zn и др.), имеющие ОЦК и ГПУ кристалли- .
ческие решетки, в зависимости от температуры могут разрушаться как вязко, i
так и хрупко. Понижение температуры обусловливает переход от вязкого к i
хрупкому разрушению. Это явление получило название хладноломкости. Его *
можно объяснить схемой А. Ф. Иоффе (рис. 1.42). ,
Понижение температуры практи-
* чески не изменяет сопротивления от- i
,ц \ рьшу, но повышает сопротивление пла-
5 \ с стической деформации (предел текуче-
а —— V Т сти). Поэтому металлы, вязкие при
5 JN. сравнительно высоких температурах, 4
§ I >^ ааг могут при низких температурах разру-
*5 I j ^v/^ шаться хрупко. Точка пересечения
| кривых, соответствующая температуре
I II перехода металла от вязкого разру-
L^"' шения к хрупкому, получила название >
Температура,'С критической температуры хрупкости,
или порога хладноломкости. Чем выше >
скорость деформации, тем больше i
Рис.1.42. Схемы хрупкого (I) и склонность металла к хрупкому разру-
вязкого (II) разрушений стали в шению. Все концентраторы напряже-
зависимости от температуры ний способствуют хрупкому разруше- |
нию. С увеличением остроты и глуби- .'
ны надреза склонность к хрупкому раз-
рушению возрастает. Чем больше размеры изделия, тем больше вероятность X
хрупкого разрушения (масштабный фактор).
1.9. ВОЗВРАТ И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ *
Состояние деформированного (наклепанного) металла термодинамически )
неустойчиво. При нагреве такого металла в нем протекают процессы, связан-
ные с переходом к более устойчивой структуре с изменением всех свойств в ■.
направлении исходного состояния (до деформации). Протекающие процессы
зависят от температуры, их обычно подразделяют на процессы возврата и рек- ;
ристаллизации. ' *
41
Возврат. При нагреве до сравнительно низких температур (обычно ниже
0,3 Т,„,) начинается процесс возврата, под которым, понимают повышение
структурного совершенства наклепанного металла в результате уменьшения
плотности дефектов строения, однако без заметных изменений структуры, ви-
димой в световом Микроскопе, по сравнению с деформированным состоянием.
В процессе возврата различают две стадии. При более низких температу-
рах (ниже 0,2 Тпл) протекает первая стадия возврата (отдых), когда происходят
уменьшение числа точечных дефектов (вакансий) и небольшая перегруппиров-
ка дислокаций.
Вторая стадия возврата - полигонизация, при которой происходит деление
кристаллов на блоки (полигоны) с малоугловыми (дислокационными) граница-
ми. Если в деформированном кристалле дислокации неупорядоченно рас-
пределены в плоскостях скольжения
(рис. 1.43, а), то при нагреве, достаточном
для протекания самодиффузии, дислокации
различных знаков аннигилируют, а избы-
точные дислокации одного знака выстраи-
ваются в дислокационные стенки, что при-
водит к образованию в кристалле субграниц,
ограничивающих блоки (полигоны), свобод-
ные от дислокаций (рис. 1.43, б). Процесс
полигонизации протекает после небольших
деформаций при нагреве до 0,25-0,3 TM.
Рекристаллизация. До температуры
tp сохраняется деформированное зерно. При
дальнейшем повышении температуры под-
вижность атомов возрастает и при темпера-
туре выше tp в деформированном металле
растут зародыши (рис. 1.44) новых зерен с
неискаженной решеткой, отделенные от ос-
тальной части матрицы границами с боль-
шими углами разориентации (большеугло-
выми границами). Образование новых, равноосных зерен вместо ориентиро-
ванной волокнистой структуры деформированного металла называется рекри-
сталлизацией обработки, или первичной рекристаллизацией.
В результате рекристаллизации наклеп практически полностью снимается
и свойства приближаются к их исходным значениям. Как видно из рис. 1.44,
при рекристаллизации временное сопротивление ав и особенно предел текуче--
61,1 ст<и резко снижаются, а пластичность д возрастает. Разупрочнение объяс-
няется снятием искажения решетки и резким уменьшением плотности дислока-
ЙИЙ (с 1010-1012 до 106-108 см"2). Наименьшую температуру начала рекристалли-
заЧИи tp называют температурным порогом рекристаллизации. Эта температу-
Р* Не является постоянной физической величиной, как, например, температура
Рис. 1.43. Схема процесса по-
лигонизации: а - распределе-
ние дислокаций после дефор-
мации; б -образование блоков
42
плавления. Для данного ме-
талла '(сплава) темпе-
ратурный порог рекристал-
лизации тем ниже, чем выше
степень деформации, больше
длительность нагрева или
меньше величина зерна до
деформации.
Температура начала
рекристаллизации tp метал-
лов, подвергнутых значи-
тельной деформации, для
технически чистых металлов
составляет примерно 0,4 ТТ1Я
(правило А.А. Бочвара), для
чистых металлов снижается
до 0,1-0,2 Т,ш, а для сплавов
возрастает до 0,5-0,6 Тпл.
Для полного снятия
наклепа металл нагревают до
более высоких температур,
чтобы обеспечить высокую
скорость рекристаллизации
и полноту ее протекания.
Такая термическая обработ-
ка получила название рекристаллтЩионного отжига.
После завершения первичной рекристаллизации при последующем нагре-
ве выше ^„6) происходит рост одНих ^кристаллизованных зерен за счет дру-
гих. При этом пластичность умецьшается. Этот процесс называют собира-
тельной рекристаллизацией. Дисперсные частицы второй фазы тормозят рост
зерна. Если же происходит значительное укрупнение зерна, то может происхо-
дить заметное снижение всех мехаЧйческих СВОЙСтв металлов.
Величина зерна после рекристаллизации оказывает большое влияние на
свойства металла. Металлы и спла^ имеющие мелкое зерно, обладают повы-
шенной прочностью и вязкостью. Однако в некоторых случаях необходимо,
чтобы металл имел крупное зерно. ТаК) трансформаторная сталь или техниче-
ское железо наиболее высокие Marinn.Hbie свойства имеют при крупном зерне.
Величина зерна после холодной Пластической деформации и рекристаллизации
может быть больше или меньше Be^^ исходного зерна.
При данной степени Деформ^цИИ с повышением температуры и при уве-
личении продолжительности отжи^ величина зерна возрастает (рис. 1.45). Об-
разование рекристаллизованного зерна происходит не сразу (рис. 1.45, б), а через
некоторый отрезок времени - инкубационныи период.
Возврат Рекристаллизаццц
1Р гР(соб)
Темпеаатта, f
Рис. 1.44. Влияние нагрева на мехацическИе
свойства и изменение структуры .Цеформа-
ционно-упрочненного метала
43
I ! ^О^О
е1ие1 _ 1_
Температура Время Степень деформации
а б в
Рис. 1.45. Влияние температуры (а), продолжительности нагрева (б) и
степени деформации (в) на величину рекристаллизованного зерна: t| < t2 <
t3 — температуры отжига; eb e2 - критическая степень деформации
При очень малых степенях деформации (рис. 1.45, в) нагрев не вызывает
рекристаллизации. При 3-15 %-ной деформации величина зерна после отжига
резко возрастает и может во много раз превысить величину исходного зерна.
Такую степень деформации называют критической. Критическая степень де-
формации тем меньше, чем выше температура отжига. При увеличении степени
деформации сверх критической величина рекристаллизованного зерна умень-
шается (рис. 1.45, в).
Холодная и горячая деформация. В зависимости от соотношения тем-
пературы деформации и температуры рекристаллизации различают холодную и
горячую деформации. Холодной деформацией называют такую, которую про-
водят при температуре ниже температуры рекристаллизации. Поэтому холод-
ная деформация сопровождается упрочнением (наклепом) металла.
Деформацию называют горячей, если ее проводят при температуре выше
температуры рекристаллизации для получения полностью рекристаллизован-
ной структуры. В этом случае деформация также вызывает упрочнение ("горя-
чий наклеп"), которое полностью или частично снимается рекристаллизацией.
Горячую деформацию в зависимости от состава сплава и скорости деформации
обычно проводят при температурах 0,7-0,75 Тщ,.
Обработку, при которой металл имеет частично рекристаллизованную
^Еуктуру, называют теплой деформацией.
Изложенный в настоящей главе металлофизический подход к природе
образования, миграции и возможности накопления дефектов в твердых телах
ЯЩТ представление о материалах деталей машин как о несовершенных кри-
с**,Иических твердых телах, обладающих анизотропией механических свойств.
44
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 1
1. Каковы условия равновесия в физико-химической системе?
2. Что собой представляет энергия активации?
3. Какие вы знаете виды первичных и вторичных химических связей?
4. В чем состоит различие кристаллического и аморфного состояний?
5. Какие типы кристаллических решеток вы знаете? Каковы их основные
характеристики?
6. Что собой представляет полиморфизм? Приведите примеры полимор-
физма.
7. Что такое анизотропия?
8. Каковы основные дефекты кристаллического строения? Чем отличает-
ся линейная дислокация от винтовой? Что характеризует вектор Бюргерса?
9. Чем отличается строение малоугловых и болыпеугловых границ?
Ю.Каковы необходимые условия для протекания процесса кристаллиза-
ции?
11 .Что характеризуют кривые Таммана?
12.Чем отличаются гомогенная и гетерогенная кристаллизации?
13,Как можно получить мелкозернистую структуру в литом металле?
14.Как получают металлические стекла и каковы особенности их
свойств?
15.Что такое модифицирование и для чего оно проводится?
16.Какую форму имеют кристаллы? Что собой представляет дендрит Чер-
нова?
17.Каково строение металлического слитка?
18.В чем различие статического и динамического нагружения?
19.Как происходит пластическая деформация по механизмам скольжения
и двойникования?
20.Что собой представляет текстура деформации и как она влияет на
свойства металла?
21.Как происходит образование трещин? Чем отличаются вязкое и хруп-
кое разрушения?
22.Как происходит размножение дислокаций?
23,Чем объясняется деформационное упрочнение (наклеп)?
24.Что собой представляют процессы возврата и как они влияют на свой-
ства металла?
25.Что такое рекристаллизация? Каковы стадии рекристаллизации?
26.Как влияет степень деформации на величину рекристаллизованного
зерна?
27.В чем различие горячей, теплой и холодной деформации?
45
ГЛАВА 2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
Явления, имеющие место при трении изнашивании, во многом опреде-
ляются свойствами материалов, из которых изготовили детали машин. Свойст-
ва материалов, как показано в настоящей главе, во многом предопределяется их
химическим составом и рядом внешних факторов (температура, давление и
др.), под влиянием которых формируется их состояние и свойства.
2.1. СПЛАВЫ И ИХ ФАЗОВЫЙ СОСТАВ
К сплавам относят сложные вещества, состоящие из двух или нескольких
простых веществ, называемых компонентами. Сплавы обычно получают путем
сплавления (обычные сплавы) или спекания (керамические сплавы), хотя воз-
можны и другие способы их получения, например, электролиз или возгонка
(псевдосплавы). В качестве компонентов сплава чаще всего выступают химиче-
ские элементы, но в некоторых случаях в качестве компонентов используют и
химические соединения стехиометрического состава.
Компонентами в металлических сплавах могут быть и неметаллические
элементы (углерод, кремний, азот и другие), но сплав считается, металлическим,
если его основу составляют металлические компоненты и он обладает металли-
ческими свойствами. Металлические сплавы обладают высокими прочностны-
ми и другими механическими, технологическими и эксплуатационными свой-
ствами. Поэтому они получили широкое применение в качестве основных кон-
струкционных материалов.
В сплавах в зависимости от характера физико-химического.взаимодейст-
вия компонентов могут образовываться следующие фазы: жидкие растворы,
твердые растворы, химические соединения.
Твердые растворы. Твердыми растворами называют фазы, в которых
один из компонентов сплава {растворитель) сохраняет свою кристаллическую
решетку, а атомы других (или другого) компонентов (растворенных) распола-
гаются в решетке первого компонента, изменяя ее размеры (периоды). Таким
образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких элементов, имеет
один тип решетки и представляет собой одну фазу. Твердые растворы обозна-
чают обычно буквами греческого алфавита (а, Д у, S и т.д.) или в виде А(В),
где А - растворитель, В - растворенный элемент. Различают твердые растворы
замещения и твердые растворы внедрения.
При образовании твердого раствора замещения атомы растворенного
компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической ре-
шетке (рис.2.1, а). Атомы растворенного компонента распределяются, как пра-
вило, статистически. Вокруг этих атомов возникают местные искажения кри-
сталлической решетки (рис.2.2), что приводит к изменению свойств и измене-
нию среднего периода решетки Образование твердых растворов всегда сопро-,
вождается увеличением прочности, твердости и электрического сопротивления.
46
но снижением пластичности- и уменьшением температурного коэффициента
электрического сопротивления.
Рис.2.1. Кристаллическая решетка твердого раствора замещения (а)
и внедрения (б)
Неограниченная раствори-
мость в твердом состоянии на-
блюдается в сплавах меди с золо-
том, меди с никелем, германия с
кремнием. В полиморфных ме-
таллах встречается неограничен-
ная растворимость в пределах
одной модификации пространст-
венной решетки. Так, Fea дает
неограниченный ряд твердых
растворов с хромом (ОЦК ре-
шетка), а Fe,- неограниченный
Рис.2.2. Искажения кристаллической решет- дах ов с шкелш
ки растворителя Л при образовании твердого Растворимость
раствора замещения с растворенными ато- элементов в состоянии
мамиЯ меньшего (а) и большего (б) размера шается увелИчении
по соавнению с атомами растворителя
ио^тшьчп у г различия в атомных радиусах
сплавленных элементов и их валентности. Твердые растворы замещения могут
быть ограниченными и неограниченными. Неограниченная растворимость эле-
ментов в растворах характеризует способность атомов сплавляемых элементов
при любом количественном соотношении размещаться в узлах общей простран-
ственной решетки (рис.2.3). Неограниченная растворимость наблюдается при
соблюдении двух условий: 1) элементы должны иметь одинаковый тип кри-
сталлической решетки, 2) атомные радиусы элементов должны отличаться не
более, чем на 8%.
47
рис.2.3. Схема образования непрерывного ряда твердых растворов при неогра-
ниченной растворимости компонентов
Многие твердые растворы замещения при относительно невысоких тем-
пературах способны находиться в упорядоченном состоянии, т.е. разносортные
атомы размещаются в узлах пространственной решетки в определенном по-
рядке. Такие твердые растворы называют упорядоченными; используется также
термин "сверхструктура". Переход из неупорядоченного в упорядоченное со-
стояние происходит при определенной температуре или в определенном интер-
вале температур. Упорядоченные твердые растворы встречаются в системах со
значительной или неограниченной растворимостью в твердом состоянии; при
этом полная упорядоченность возникает при концентрациях твердого раствора,
соответствующих простым атомным соотношениям компонентов типа АВ или
ABj. Частичная упорядоченность наблюдается при составах, близких к указанным.
Возникновение и исчезновение порядка в расположении атомов твердых
растворов сопровождается изменением свойств. При упорядочении возрастают
электропроводность, температурный коэффициент электрического сопротив-
ления, твердость и прочность; снижается пластичность сплава.
Твердые растворы внедрения возникают при сплавлении переходных ме-
таллов с неметаллами, имеющими малый атомный радиус (Н, N, С, В). При их
образовании атомы растворенного компонента располагаются в междоузлиях
(пустотах) кристаллической решетки растворителя. При этом атомы распола-
гаются не в любом междоузлии, а в таких пустотах, где для них имеется больше
свободного пространства (рис.2.1, б): размер межузельного атома должен быть
равным или несколько больше размера поры.
Твердые растворы внедрения всегда имеют ограниченную растворимость
и встречаются преимущественно тогда, когда растворитель имеет г.п.у. или
ГЦК решетки, в которых имеются поры с радиусом 0,41 Д, где R - радиус атома
растворителя. В ОЦК решетке растворимость путем внедрения мала, так как
размер пор не превосходит 0,29 R. Примером твердых растворов внедрения,
имеющих промышленное значение, являются твердые растворы углерода в
Fe, и Fea. Fe, с ГЦК решеткой растворяет до 2,14% (по массе) углерода; Fe„ с
ОЦК решеткой почти не растворяет углерод, максимальная растворимость со-
ставляет менее 0,03 % (по массе).
При образовании твердых растворов внедрения искажения решетки
больше, чем при образовании твердых растворов замещения, поэтому более
резко изменяются и свойства. По мере увеличения концентрации растворенного
элемента в твердом растворе возрастают электрическое сопротивление, коэрци-
48
тивная сила, твердость и прочность, но заметно понижаются пластичность и
вязкость.
Химические соединения. В металлических сплавах химические соеди-
нения отличаются многообразием. Химические соединения, образующиеся по
закону нормальной валентности, имеют следующие характерные особенности:
1. Кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов, обра-
зующих соединение.
2. В соединении всегда сохраняется простое кратное соотношение компо-
нентов. Это позволяет выразить их состав простой формулой АтВт где Л и В -
соответствующие элементы; тмп — простые числа.
3. Свойства соединения резко отличаются от свойств образующих его
компонентов.
4. Температура плавления (диссоциации) постоянная.
5. Образование химического соединения сопровождается значительным
тепловым эффектом.
В отличие от твердых растворов химические соединения обычно образу-
ются между компонентами, имеющими большое различие в электронном
строении атомов и кристаллических решеток. Соединения металла с неметал-
лом (нитриды, карбиды, гидриды и т.д.) относятся к обычным химическим со-
единениям, хотя они частично могут обладать металлической связью.
Большое число химических соединений, образующихся в металлических
сплавах, отличается по некоторым особенностям от типичных химических со-
единений, так как не подчиняется законам валентности и не имеет постоянного
состава.
Соединения одних металлов с другими носят общее название интерме-
таллидов, или интерметаллических соединений. Примером могут служить та-
кие соединения, как Fe2Mo, NiTi, Ni3Ti, N13AI и др. Особенностями этих соеди-
нений являются преобладание металлической связи и неподчинение законам
валентности.
Особую группу соединений представляют фазы внедрения. Они образу-
ются между переходными металлами (Fe, Mn, Сг, Мо и др.) и элементами вне-
дрения (С, N, В, Н) при соотношении атомных радиусов неметалла (Rx) и ме-
талла (RM) Rx / Rm < 0,59. Атомы металла в этих фазах расположены по типу
одной из простых кристаллических решеток, в которую внедряются атомы не-
металла, занимая в ней определенные поры. Фазы внедрения являются фазами
переменного состава. Карбиды и нитриды, относящиеся к этим фазам, облада-
ют высокой твердостью. Если условие Rx/ Ru<0,59 не выполняется (карбиды
железа, марганца, хрома), то образуются соединения с более сложными решет-
ками, и такие соединения нельзя считать фазами внедрения.
Электронные соединения чаще образуются между одновалентными ме-
таллами (Си, Ag, Au, Li, Na) или металлами переходных групп (Fe, Mn, Co и
др.), с одной стороны, и простыми металлами с валентностью от 2 до 5 (Be, Mg,
Zn, Cd, Al и др.), с другой стороны. Соединения этого типа имеют опре-
деленное отношение числа валентных электронов к числу атомов, т. е. опреде-
49
ленную электронную концентрацию. Так, существуют соединения, у которых
это отношение равно 3/2 (1,5); 21/13 (1,62), 7/4 (1,75). Каждому из указанных
соотношений соответствуют и определенные типы кристаллической решетки.
Электронные соединения подобно обычным химическим соединениям имеют
кристаллическую решетку, отличную от решетки образующих их компонентов.
Но, в отличие от химических соединений с нормальной валентностью, они
представляют собой твердые растворы в широком интервале концентраций.
Кроме рассмотренных металлических соединений существует и ряд дру-
гих, например фазы Лавеса (имеющие формулу АВ2), фазы со структурой нг<
кельарсенида NiAs и др.
2.2. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ
Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение со-
стояния сплава в зависимости от его химического состава и внешних факторов
(температуры и давления). Эта диаграмма показывает устойчивые состояния,
характеризующиеся минимумом свободной энергии, т.е. является диаграммой
равновесия.
Диаграммы состояния сплавов подразделяются в зависимости от количе-
ства компонентов в сплаве (двухкомпонентные, трехкомпонентные и т.д.), а
также от вида и количества учитываемых внешних факторов (диаграммы хими-
ческий состав-температура, химический состав-температура-давление). Чаще
всего из внешних факторов учитывают температуру, принимая давление посто-
янным и равным атмосферному. Под химическим составом понимают виды и
содержание химических элементов (компонентов) в сплаве. В основном мы бу-
дем рассматривать диаграммы состояния двухкомпонентных (двойных) спла-
вов. Поскольку содержание каждого компонента обычно выражают в процен-
тах или долях (атомных или массовых), то химический состав двойного сплава
задается содержанием одного из компонентов.
Каждая точка на диаграмме показывает состояние сплава данной концен-
трации при рассматриваемой температуре. Линии, соединяющие точки анало-
гичных равновесий, разграничивают на диаграмме области фазовых состояний.
Каждая вертикаль на диаграмме состав-температура для двойных сплавов со-
ответствует изменению температуры определенного сплава. Вид диаграммы
состояния зависит от характера взаимодействия компонентов в твердом и жид-
ком состояниях.
Правило фаз. Общие закономерности сосуществования устойчивых фаз.
отвечающих условиям равновесия, могут быть выражены в форме, именуемой
правилом фаз, или правилом Гиббса. Правило фаз дает зависимость между сте-
пенями свободы системы и числом фаз и компонентов:
где С ~ число степеней свободы; Ф- число фаз; К- число компонентов; v-
число внешних факторов.
50
Под числом степеней свободы (вариантностью) системы понимают чис-
ло независимых внешних и внутренних факторов (температура, давление, кон-
центрации элементов), которое можно изменять без изменения числа фаз в сис-
теме. Если число степеней свободы равно нулю (нонвариантная система), то
нельзя изменять внешние и внутренние факторы системы (температуру, давле-
ние, концентрацию) без того, чтобы это не вызвало изменения числа фаз. Если
число степеней свободы равно единице (моновариантная система), то возможно
изменение в некоторых пределах одного из перечисленных факторов, и это не
вызовет уменьшения или увеличения числа фаз.
Независимыми внешними факторами в уравнении правила фаз могут
быть температура и давление. Если принять давление постоянным и учитывать
возможность изменения только одного внешнего фактора (температуры), то
уравнение правила фаз используется в следующем виде:
С=К~Ф+1.
Правило отрезков. Как уже было отмечено, условием равновесия в сис-
теме является минимум свободной энергии. Так, процесс кристаллизации про-
текает в том случае, если уровень свободной энергии твердой кристаллической
фазы ниже, чем у жидкой фазы. При уровнях свободной энергии обеих фаз,
представленных графиками на рис.2.4, а, термодинамически стабильной явля-
ется твердая фаза а.
Рис.2.4. Зависимости свободной энергии от составов сплавов: а - при Fa< ¥ж
стабильной является твердая аг-фаза; б — если свободная энергия смеси фаз
меньше свободной энергии и каждой из фаз, то стабильным является двухфаз-
ное состояние; ab - конода; с - фигуративная точка сплава
Если фазы, образующие данную систему, имеют переменный состав, то
свободная энергия обеих фаз может меняться так, как показано на рис. 2.4, б.
Равновесным может быть двухфазное состояние, если в этом состоянии уро-
вень свободной энергии ниже, чем у каждой фазы в отдельности. Уровень сво-
бодной энергии двухфазного состояния выражается касательной, проведенной
к кривым изменения свободной энергии обеих фаз. Так, между точками касания
а и b на рис.2.4, б равновесие является двухфазным, причем в зависимости от
51
состава сплава соотношение количеств обеих фаз может быть различным. Если
состав сплава соответствует точке а, то он в равновесном состоянии состоит из
одной фазы а, имеющей предельное (равновесное) содержание компонента В.
Сплав, соответствующий точке о, состоит только из фазы Д имеющей предель-
ное содержание компонента А. Обе эти точки характеризуют составы фаз, на-
ходящихся в двухфазном равновесии; эти точки называют подами, а отрезок
линии (в данном случае отрезок касательной), соединяющей ноды, - конодой.
Если сплав является двухфазным, то его фигуративная точка с лежит на
коноде (между точками а и Ь) и делит коноду на отрезки, обратно пропорцио-
нальные количествам каждой из фаз, т.е. эти количества определяются по пра-
вилу смешения. Применительно к конодам и диаграммам состояния это прави-
ло чаще называют правилом отрезков (или правилом рычага) и формулируют
следующим образом: количество каждой из фаз в двухфазном сплаве прямо
пропорционально длине отрезка коноды, противолежащего точке данной фа-
зы. Математически правило отрезков выражают следующей формулой:
%а = ^-100
где 1сЬ- длина отрезка cb коноды, противолежащего точке аг-фазы; 1аЬ- длина
всей коноды аЪ. Отношение умножается на 100, так как в сумме содержание
обеих фаз составляет 100%.
В дальнейшем положение конод и использование правила отрезков будут
представлены и рассмотрены при анализе диаграмм состояния.
Диаграмма состояния двойных сплавов с неограниченными тверды-
ми растворами. Если два компонента неограниченно растворяются в жидком и
твердом состояниях, то в системе возможно существование только двух фаз:
жидкого раствора Ж и твердого раствора а. Поэтому диаграмма такой систе-
мы состоит из трех областей: жидкой фазы (выше линии tA-lrtB\ жидкой и твер-
дой фаз (между линиями trh-Ч и tA-artB), твердой фазы (ниже линии tA-a,-tB)
(рис.2.5, а). Верхняя линия tA-lrtB является линией ликвидус (что означает
"жидкий"), нижняя линия tA-artB - линией солидус ("твердый"). На рис.2.5, б
приведена кривая охлаждения для одного из сплавов. Эта кривая построена с
использованием правила фаз, и для каждого участка ее указано число фаз (в
скобках - какие фазы) и число степеней свободы. Перегибы на кривой опреде-
ляют положение критических точек, характеризующих равновесие обеих фаз.
Точка 1 соответствует началу кристаллизации сплава, точка 2 - концу.
По правилу отрезков можно рассчитать количество каждой фазы, нахо-
дящееся в двухфазном равновесном сплаве. Если в сплаве содержится компо-
нент В в количестве Вспл, то точка с является фигуративной точкой этого сплава
при температуре /', и по правилу отрезков имеем:
%а = -^100,
где 1'с -длина отрезка коноды, противолежащего точке а-фазы; Га '-длина коноды.
52
I
Ж
l'j
^bai^f
ly&.Jbj&Z^tb
/ >WJ
г
s
Г
ос
tB
Рис.2.5. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью ком-
понентов (а), кривая охлаждения с применением правила фаз (б)
и схемы формирования структуры (в)
Неравновесная кристаллизация. В процессе кристаллизации (при по-
степенном переходе с коноды /,а, на коноды 1'а' и 1га2) меняется соотношение
количеств каждой фазы и их химический состав, т.е. формирующийся твердый
раствор имеет переменный состав. При очень медленном охлаждении сплава
процессы диффузии в жидкой и твердой фазах успевают за процессом кристал-
лизации и поэтому состав кристаллов выравнивается. Однако в реальных усло-
виях ускоренного охлаждения состав твердого раствора не успевает выравни-
ваться и различия в пределах каждого кристалла и разных кристаллов сохраня-
ются. При этом можно счи-
тать, что однородность, со-
ответствующая равновесию,
поддерживается только в
жидкой фазе, но не в твер-
дой фазе, где скорость диф-
фузии значительно меньше.
Кристаллизация сплава в та-
ких термокинетических ус-
ловиях является неравновес-
ной.
Рассмотрим изменение
химического состава твер-
дой фазы в процессе нерав-
новесной кристаллизации
применительно к сплаву с
50% компонента В (рис.2.6).
Затвердевание этого сплава
начинается при температуре
Л В
Рис.2.6. Схема неравновесной кристаллизации
сплава и формирования дендритной ликвации
53
t, с образования кристаллов а-фазы состава точки ai (или к]). При температуре
t2 состав жидкой фазы соответствует точке 12, а твердой фазы - точке а2. При
этом средний состав твердой фазы находится между составами точек ai и а2 и
соответствует точке к2. Аналогично при температуре t3 средний состав твердой
фазы соответствует точке к3, при температуре ц - точке \ц. Сплав окончательно
затвердеет тогда, когда средний состав твердой а-фазы будет соответствовать
составу сплава (т.е. в рассматриваемом случае 50% компонента В). Это про-
изойдет при температуре t5 (точка к5). Следовательно, в неравновесных услови-
ях сплав затвердевает ниже равновесной температуры затвердевания, т.е. с пе-
реохлаждением At = t5 - U- Линию кгк5 называют неравновесным солидусом.
Каждый сплав при заданной скорости охлаждения имеет свой неравновесный
солидус.
Дендритная (внутрикристаллитная) ликвация. В результате неравно-
весной кристаллизации химический состав образующихся кристаллов твердого
раствора по сечению оказывается переменным.
В процессе кристаллизации обычно образуются кристаллы твердого рас-
твора дендритного типа, поэтому оси первого порядка, возникающие в началь-
ный момент кристаллизации, обогащены более тугоплавким компонентом В.
Периферийные слои кристалла и межосные пространства, кристаллизующиеся
в последнюю очередь, обогащаются компонентом А, и их состав близок к ис-
ходной концентрации сплава. Такую неоднородность состава сплава внутри от-
дельных кристаллов называют внутрикристаллитной, или дендритной ликва-
цией. Чем больше разность температур между солидусом и ликвидусом, тем
больше различие между составами жидкой и твердой фаз и тем сильнее прояв-
ляется этот вид ликвации. Быстрое охлаждение способствует развитию денд-
ритной ликвации. Дендритная ликвация ухудшает механические и технологи-
ческие свойства сплавов.
Дендритная ликвация может быть ослаблена продолжительным нагревом
затвердевшего сплава при температурах, обеспечивающих достаточную ско-
рость диффузии (несколько ниже солидуса). После такой обработки, называе-
мой диффузионным отжигом, или гомогенизацией, сплав состоит из однород-
ных кристаллов твердого раствора.
Диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые
растворы и эвтектику. Ограниченная растворимость наиболее часто встре-
чается в металлических сплавах. При образовании ограниченных твердых рас-
творов различают два типа диаграмм состояния: с эвтектическим и с перитек-
тическим превращением.
Сплавы, в которых происходит одновременная кристаллизация несколь-
ких твердых фаз при постоянной и самой низкой для данной системы сплавов
температуре, называют эвтектическими, а структуру, состоящую из опреде-
ленного сочетания двух (или более) твердых фаз, одновременно кристаллизо-
вавшихся из жидкого сплава, называют эвтектикой.
Диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые рас-
творы и эвтектику, показана на рис.2.7. В сплавах такого рода возможно суще-
54
ствование жидкой фазы Ж, твердого раствора компонента В в А, который мы
будем называть а-фазой, и твердого раствора компонента/) в В, который обо-
значим как >3-фазу.
Сплав I
Сплав II
Время
а б
Рис.2.7. Диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые
растворы и эвтектику (а) и кривые охлаждения сплавов 1а II (б)
Линия GCD в данной системе является линией ликвидус; она состоит из
двух частей: GC - ликвидуса а-фазы, и CD - ликвидуса Дфазы. Еще более
сложный характер имеет линия солидус GECFD, состоящая из трех частей: со-
лидуса а-фазы GE, солидуса /Ц»азы FD и горизонтальной линии эвтектическо-
го равновесия ECF, характеризующей нонвариантное равновесие при одновре-
менном сосуществовании трех фаз (Ж, а и 0).
Линия ЕН характеризует растворимость компонента В в а-фазе (т.е. явля-
ется сольвусом а-фазы), линия FQ представляет собой сольвус /Ц>азы. Между
этими линиями существует двухфазное равновесие с&р. Однако структурное
состояние сплавов в области двухфазного равновесия может быть различным.
Окончание процесса кристаллизации в сплавах, расположенных между
точками Е и F диаграммы, происходит по эвтектической реакции. Для условий,
близким к равновесным, эта реакция может быть записана в следующем виде:
Жс-*аЕ+&,
где нижние индексы в обозначении фаз характеризуют их химический состав в
условиях равновесия. Механическая смесь аЕ +{k представляет собой эвтекти-
ку Э.
Сплав, имеющий химический состав, соответствующий точке С на диа-
грамме, имеет чисто эвтектическую структуру, поэтому его называют эвтекти-
ческим. Сплавы, расположенные между точками £ и С диаграммы, называют
доэвтектическгши. После завершения процесса кристаллизации их структура
55
состоит из избыточной (первичной) а-фазы и эвтектики Э. Сплавы, находящие-
ся между точками С и F, называют заэвтектическими. Их структура после за-
вершения процесса кристаллизации состоит из эвтектики и избыточной /?-фазы
В отличие от сплавов с эвтектикой, в сплавах, расположенных левее точ-
ки Е, кристаллизуется только а-фаза, а в сплавах правее точки F - только /?-
фаза. Однако при охлаждении насыщенных твердых растворов их химический
состав меняется по линиям сольвус, т.е. обычно содержание растворенных эле-
ментов уменьшается. Поэтому избыток растворенного компонента В выделяет-
ся из а-фазы в виде включений /?-фазы, которые называют вторичными (в от-
личие от первичных кристаллов, выделяющихся из расплава) и часто обозна-
чают р2 (или рп). Аналогично из насыщенной уЗ-фазы выделяются вторичные
включения а-фазы (включения а?). Поэтому на диаграмме ниже линий сольвус
показаны участки двухфазной области со структурами а +р\ и 0+ai. Вто-
ричные фазы выделяются также и в сплавах с эвтектикой, поэтому на диаграм-
ме в областях доэвтектических и заэвтектических сплавов приведены обозначе-
ния структур с вторичными фазами. Однако часто в этих структурах вторичные
фазы наслаиваются на ранее образовавшиеся эвтектические фазы и отдельно не
дифференцируются.
На рис.2.7, б приведены кривые охлаждения для сплавов / и II. Выше то-
чек 1 (в интервале 0-1), лежащих на линии ликвидус, оба сплава находятся в
жидком состоянии, а в интервале температур между точками 1 и 2 идет процесс
кристаллизации первичной а-фазы. Однако на этом сходство в процессах
структурообразования в обоих сплавах заканчивается. В сплаве / кристаллиза-
ция завершается в точке 2, и полученные кристаллы твердого раствора должны
иметь (для равновесной кристаллизации) концентрацию исходной жидкости.
Эти кристаллы не претерпевают изменений до точки 3, лежащей на линии
сольвус. Ниже этой точки твердый раствор является пересыщенным и выделяет
вторичные кристаллы /?-фазы (включения /32), количество которых при охлаж-
дении увеличивается. Вследствие этого состав твердого а-раствора изменяется
по линии сольвус (кривой 3-Н).
В сплаве II при температуре точки 2 (в интервале 2-2') в условиях равно-
весной кристаллизации протекает эвтектическая нонвариантная реакция:
Ж— а+Р,
где смесь а+Р представляет собой эвтектику Э. Ниже точки 2' (в интервале 2'-
3) при охлаждении твердого раствора а происходит выделение вторичной Р-
фазы, включения которой могут находиться как внутри зерен а-фазы, так и на
их границах, наслаиваясь на участки эвтектической структуры.
Схемы структурообразования в сплавах lull приведены на рис.2.8. Рас-
пределение структур проведено по температурным зонам на кривых охлажде-
ния (см. рис.2.7, б).
Пользуясь правилом отрезков и учитывая, что в сплаве // при температу-
ре равновесной эвтектической кристаллизации (в интервале 2-2') остающаяся
56
после образования избыточной ог-фазы жидкость превращается в эвтектиче-
скую смесь Э, можно рассчитать структуру сплава // на завершающем этапе
кристаллизации (т.е. в точке 2* на кривой охлаждения):
%Э =
£-2
Е-С
100 %аг =
Е-С
00
где Е-2 - длина отрезка коноды, противолежащего точке эвтектики; 2-С - длина
отрезка коноды, противолежащего точке а-фазы; Е-С - длина всей коноды.
Рис.2.8. Схематичное представление структур в сплавах / (а) и // (б)
по температурным зонам на кривых охлаждения
Сплавы с переменной растворимостью и их термическая обработка.
Рассмотрим подробнее превращения, происходящие в сплаве / при охлаждении
ниже линии сольвус. Для этого в увеличенном
масштабе представлена левая часть рассмат-
риваемой диаграммы до линии эвтектического
равновесия (рис.2.9).
Сплаву состава / (рис.2.7) соответствует
положение вертикальной линии abed на
рис.2.9. После затвердевания сплав состоит из
кристаллов твердого раствора а (например, в
точке а при температуре t,). При дальнейшем
охлаждении по достижении температуры точ-
ки b твердый раствор а оказывается насыщен-
ным компонентом В; при более низких темпе-
ратурах растворимость второго компонента
уменьшается, поэтому из а-раствора начинает
Рис.2.9. Участок диаграммы выделяться избыточный компонент в виде
с линией сольвус при пере- Ч»101*™08 А- После окончательного охлаж-
менной растворимости в дения СПЛав состоит из кристаллов а-твердого
твердом растворе раствора состава, отвечающего точке d, и вто-
57
ричных кристаллов Д>. Расположение кристаллов Д> может быть различным:
как в виде включений в зернах а-фазы (см. рис.2.8, а), так и в виде сетки по
границам этих зерен, что может существенно ухудшать механические свойства
сплава. Структуру и свойства таких сплавов улучшают с помощью термической
обработки. Быстрым охлаждением можно подавить распад твердого раствора и
переохладить его до низких температур. Процесс нафева выше линии сольвус
и последующее быстрое охлаждение, позволяющее задержать выделение вто-
ричной фазы и зафиксировать высокотемпературное состояние, называется за-
калкой (без полиморфного превращения).
Пересыщенный твердый раствор а неустойчив, и при нагреве, а в неко-
торых случаях и при нормальной температуре начинает распадаться с выделе-
нием дисперсных частиц вторичной фазы. На начальных стадиях распада в пе-
ресыщенном а-твердом растворе образуются объемы (сегрегации), обогащен-
ные компонентом В, получившие название зон Гинье-Престона (ГП), и пред-
ставляющие собой диски диаметром 4-6 нм и толщиной несколько атомных
слоев при сохранении кристаллической решетки исходного а-твердого раствора
При повышении температуры (или увеличении длительности выдержки)
на базе зон ГП образуются зародыши /?-фазы и происходит их рост. Зоны ГП
или дисперсные частицы вторичной фазы повышают прочность и твердость
сплава. Распад пересыщенного твердого раствора, полученного путем закалки,
связанный с упрочнением сплава, называют дисперсионным твердением, или
дисперсионным старением. Образовавшиеся при старении частицы вторичных
фаз имеют мелкопластинчатое строение.
При более высоком нагреве сплава пластинчатые выделения превраща-
ются в сферические и растут. Образование сферических частиц, например из
пластинчатых выделений, называют сфероидизацией, укрупнение выделений -
коагуляцией. Коагуляция и сфероидизация частиц упрочняющей фазы со-
провождаются разупрочнением сплава и повышением его пластичности. Тер-
мическую обработку, вызывающую полный распад твердого раствора, коагуля-
цию и сфероидизацию избыточной фазы, а как следствие этого, разупрочнение
сплава, называют отжигом.
Диаграмма состояния сплавов с перитектическим равновесием. При
эвтектическом превращении жидкость кристаллизуется с образованием двух
твердых фаз. Возможен и другой тип нонвариантного превращения (трехфазно-
го равновесия), когда жидкость реагирует с ранее выпавшими кристаллами и
образует новый вид кристаллов: Ж+ /?-> а. Реакция подобного типа называ-
ется перитектической.
Диаграмма с перитектическим равновесием приведена на рис.2.10.
На диаграмме показаны три однофазные области: жидкости Ж и огра-
ниченных твердых растворов а и Д Линия GCD является линией ликвидус, ли-
ния GEFD - линией солидус. Линии сольвус (линии предельной растворимости
компонентов в твердых фазах) с целью упрощения диаграммы показаны верти-
кальными.
58
А В Время
Рис.2.10. Диаграмма состояния сплавов с перитектическим равновесием <
и кривые охлаждения для двух сплавов
Кристаллизация сплава / начинается в точке 1, когда из жидкости выпа-
дают кристаллы /^-раствора состава точки Г. Затем по мере снижения темпера-
туры жидкость меняет свою концентрацию по линии ликвидус от точки 1 до
точки С, а кристаллы /?- по линии солидус от точки Г до точки F. При дости-
жении перитектической горизонтали CEF состав жидкости будет отвечать точ- .'
ке С, а состав кристаллов - точке F. Эти обе фазы реагируют и дают третью фа-
зу - твердый а-раствор, состав которого определяется точкой Е — третьей точ- >
кой на горизонтали. Перитектическая реакция изображается следующим образом:
Же +pF ->ав i
Количественное соотношений фаз при перитектической реакции опреде-
ляется по правилу отрезков соотношением %/3/%Ж= CE/EF, где СЕ и EF—ai- >
резки коноды CF.
В случае же кристаллизации сплава / количество жидкости при темпера- \
туре перитектического равновесия определяется длиной отрезка 2-F, т.е. нахо-
дится в избьпке по отношению к перитектической реакции. Поэтому в точке 2
процесс кристаллизации не заканчивается и в интервале 2-3 избыточная жид- *
кость кристаллизуется в а-фазу; после завершения кристаллизации сплав явля-
ется однофазным. >
Отличие кристаллизации сплава // состоит в том, что при температуре
перитектического равновесия в избытке находится твердая /?-фаза, и поэтому
завершающим этапом кристаллизации является перитектическая реакция, после >
которой сплав является двухфазным.
>
х
59
!
Диаграмма состояния для сплавов с химическим соединением. Выше
было показано, что химические соединения могут быть разных видов, чем обу-
словлено и разнообразие диаграмм состояния с химическими соединениями.
Поэтому рассмотрим один из частных случаев таких диаграмм, который дает
представление об особенностях большинства диаграмм этого вида: диаграмму
состояния с твердым раствором на базе химического соединения (рис.2.11). На
этой диаграмме фазы а и /3 являются твердыми растворами на основе компо-
нентов А и Б соответственно, а фаза е- твердым раствором на базе химическо-
го соединения AJ&„. Видно, что такая диаграмма представляет собой сдвоен-
ную диаграмму эвтектического типа, т.е. состоит из двух диаграмм: А ~АтВ„ и
АтВ„"В. Анализ, проведенный для диаграммы эвтектического типа, справедлив
и для каждой из этих диаграмм.
Характерно, что
в системах этого типа
химическое соедине-
ние полностью рас-
плавляется при посто-
янной температуре,
чем и определяется
возможность исполь-
зования химического
соединения стехио-
метрического состава
в качестве компонен-
та (и соответственно
разделения всей сис-
темы на две подсис-
темы). Такое плавле-
ние, химических со-
единений называют
конгруэнтным.
Диаграмма состояния для
сплавов с полиморфным превраще-
нием. В системах с полиморфным
превращением диаграмма состояния
обычно состоит из двух частей: верх-
ней, которая характеризует первичную
кристаллизацию, и нижней, в которой
рассматривается вторичное превраще-
ние. Рассмотрим один из возможных
вариантов таких систем: систему, в Рнс.2.12. Диаграмма состояния с
которой высокотемпературные мода- полиморфными превращениями
фикации компонентов неограниченно компонентов и эвтектоидным
растворимы друг в друге, а низкотем- превращением фаз
Ж / 1
\а X /Ж+е / о
/ а+е \
\ A /fl
\eV0 1
1 е+р \
АЛЯ
В
Рис.2.11. Диаграмма состояния с твердым раство-
ром на базе химического соединения (с конгру-
энтным плавлением^
60
пературные модификации образуют ограниченные твердые растворы. Диа-
грамма состояния сплавов такой системы схематично представлена на рис.2.12.
При температуре, соответствующей линии PSK, происходит распад твер-
дого ^раствора с одновременным выделением фаз а и /?:
у -> а + р.
*
Такое превращение называют эвтектоидным, а образующуюся механическую
смесь твердых фаз - эвтектоидом.
Эвтектоидное превращение протекает аналогично эвтектическому, но в '
данном случае распадается не жидкий, а твердый раствор.
2.3. СВЯЗЬ МЕЖДУ СВОЙСТВАМИ СПЛАВОВ И ТИПОМ
ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ
Свойства сплавов зависят от их фазового состава и структуры. Поэтому
очевидно, что между видом диаграммы состояния и свойствами сплавов долж-
на существовать определенная связь.
Технологические свойства сплавов. А.А. Бочвар показал, что сущест-
вует связь между типом диаграммы состояния и технологическими свойствами.
Сплав в состоянии твердого раствора имеет низкие литейные свойства (плохая
жидкотекучесть, склонность к образованию рассеянной пористости и образова- >
нию трещин). Для получения высоких литейных свойств концентрация компо-
нентов в литейных сплавах должна превышать их максимальную раствори-
мость в твердом состоянии и приближаться к эвтектическому составу. Эвтекти-
ческие сплавы обладают хорошей жидкотекучестью, и усадка в них проявляет-
ся в виде концентрированной раковины. '
Сплавы в виде ненасыщенного твердого раствора пластичны и поэтому
хорошо деформируются (прокатываются, куются, штампуются, прессуются и >
т.д.). Пластичность сильно снижается при появлении в структуре эвтектики.
Поэтому в деформируемых сплавах максимум растворимости при эвтектиче- >
ской температуре является верхним желательным пределом содержания компонентов.
Правила Курнакова. Впервые закономерную связь между физико-
механическими свойствами сплавов и их фазовым составом (в соответствии с
видом диаграмм состояния) установил Н.С. Курнаков. Поэтому основные зако-
номерности изменения свойств для разного сочетания фаз в структуре сплавов •»
известны как правила Курнакова.
На рис.2.13 приведены зависимости свойств для трех основных типов у
диаграмм состояния: с неограниченной растворимостью компонентов (поз. а), с
ограниченными твердыми растворами и эвтектикой (б), с твердым раствором на
основе химического соединения (в). *
На этих диаграммах можно выделить три характерные области фазовых
состояний: области твердых растворов, области механических смесей фаз и об- >
ласть химического соединения. Для каждой из этих областей сформулированы
правила, характеризующие зависимости свойств от состава (правилаКурнакова):
61
А В А В A AJSn В
а б в
Рис.2.13. Связь между типом диаграмм состояния и свойствами сплавов
(диаграммы Курнакова)
1. При образовании твердых растворов (рис.2.13, а) свойства сплава изме-
няются по криволинейной зависимости, причем их экстремальные значения
(максимум или минимум) достигаются при некоторых средних значениях со-
става. По сравнению со свойствами чистых компонентов в твердых растворах
повышаются твердость, прочностные свойства, электросопротивление, но
обычно снижаются пластичность, ударная вязкость и электропроводность. Осо-
бенно сильно возрастает электросопротивление (снижается электропровод-
ность).
2. При образовании механической смеси фаз (рис.2.13, б) свойства спла-
вов изменяются по линейному закону (аддитивно). Поскольку для области ог-
раниченных твердых растворов справедливо первое правило Курнакова, то зна-
чения свойств сплава находятся в интервале между свойствами предельно на-
сыщенных твердых растворов. Характерно также, что если в двухфазной облас-
ти электросопротивление сплавов и повышается, то в значительно меньшей
степени, чем в области твердых растворов. Поэтому распад твердого раствора
на механическую смесь фаз приводит к повышению электропроводности (закон
Курнакова).
3. При образовании химического соединения (рис.2.13, в) максимум (или
минимум) на кривой зависимости свойств соответствует стехиометрическому
составу химического соединения. Для остальных фазовых областей на этой
Диаграмме справедливы первое и второе правила Курнакова.
Изучение свойств в зависимости от изменения составов сплавов (т.е. по-
строение диаграмм состав - свойства) является важным дополнением при изу-
чении и построении диаграмм состояния. Метод изучения изменений свойств в
62
зависимости от изменения состава и построения диаграмм состав - свойства
был положен Курнаковым в основу разработанного им физико-химического
анализа сплавов. В настоящее время физико-химический анализ является одним
из основных методов изучения сплавов и его широко применяют в научных ис-
следованиях новых сплавов (при изучении структурных превращений и в дру-
гих случаях).
Отклонения от правил Курнакова. Композиционное упрочнение.
Приведенные зависимости свойств сплавов от вида диаграммы состояния
представляют собой лишь приближенную схему, не всегда подтверждающуюся
опытом, так как в ней не учитываются форма и размер кристаллов, их взаимное
расположение, температура и другие факторы, сильно влияющие на свойства
сплава. Особенно сильно влияние этих факторов сказывается на свойствах
сплавов-смесей; аддитивный закон нарушается, и свойства сплава могут быть
выше или ниже прямой линии, соединяющей свойства фаз. Так, при дисперс-
ной двухфазной структуре твердость сплава лежит выше аддитивной прямой.
Если сплав-смесь состоит из двух фаз - одной твердой, другой очень мягкой, и
последняя залегает по границам зерен более твердой фазы, - то твердость спла-
вов ниже аддитивной прямой. Если два компонента, образующих смесь, сильно
отличаются температурами плавления или эвтектика является очень легкоплав-
кой, то аддитивная зависимость сохраняется лишь в результате измерения
твердости при сходственных температурах (например, 0,4 Тт).
Особенно значительным может быть отклонение от аддитивной прямой в
сплавах с эвтектикой. Если эвтектика представляет собой регулярную структу-
ру с расположением более прочной и твердой фазы в виде пластин (пластинча-
тая эвтектика), волокон (волокнистая эвтектика) или компактных включений
(зернистая эвтектика) в окружении более мягкой и пластичной фазы, то в такой
структуре проявляется эффект, характерный для композиционных материалов
(композиционное упрочнение). В этом случае фаза в виде пластин, волокон или
зернистых включений является распределенной и играет роль упрочнителя, а
более мягкая и пластичная фаза играет роль матрицы в двухфазной (или мно-
,-у - ■ r~j-?\ «--•.„•„«.«• гофазной) композиции. В сплавах, содер-
f,P"--'j^«^S^^^'*'.£!**"■• жащих эвтектики с композиционным по-
^ШШ'^Ь^{&$£&Л* строением структуры, прочностные свой-
^Si^iVV/ к&%й&г'г,2Р} ства могут быть существенно выше
• -fipJ.^'U, '.'jg&Qjfetg, свойств, определяемых аддитивной пря-
l^^K-^is,-^^ji-S/^V* мой, особенно в чисто эвтектических
• • г. ■»tf§^»>' \'*%£g>. *k$j? сплавах. Это схематично показано штрих-
wV' i*v\$'jV^iSJj%&k&x пунктирной линией на рис.2.13,6.
Примером сплавов с композицион-
Рис.2.14. Микроструктура бе- ньш построением эвтектики может слу-
лого ванадиевого чугуна с жить белый ванадиевый чугун (рис.2.14).
двухфазной (двойной) эвтек- в его эвтектической структуре матричной
тикой, х 300 фазой является твердый раствор на основе
железа (отличающийся повышенной пла-
63
стичностью и вязкостью при невысокой твердости), а роль упрочнителя играют
волокна карбида ванадия, веерообразно расходящиеся из единого карбидного
центра в каждой эвтектической колонии.
В реальных сплавах, кроме компо-
зиционного, могут проявляться и другие
механизмы упрочнения. Так, в сплавах
при сравнительно малой доле упрочняю-
щей фазы возможно значительное дис-
персионное упрочнение матрицы. Поэто-
му на графике зависимости прочности от
состава сплавов с эвтектикой (рис.2.15)
могут появляться два пика (поз. б). Пер-
вый пик прочности соответствует дис-
персионному упрочнению пересыщенно-
го твердого раствора. Его величина зави-
сит как от количества выделенной фазы,
так и от характера и степени распада.
Второй пик прочности наблюдается в
сплавах с регулярной эвтектической
структурой и объясняется композицион-
ным упрочнением. Заметное снижение
прочности между этими пиками объясня-
ется уменьшением эффекта дисперсион-
ного твердения в связи с тем, что присут-
ствие значительного количества эвтекти-
ческих кристаллов упрочняющей фазы
влияет на распад твердого раствора в
прилегающих к этим кристаллам облас-
тях. В этом случае распад твердого рас-
твора сопровождается не выделением
дисперсных включений, а наслоением
упрочняющей фазы на готовых поверхностях эвтектических включений. Сни-
жение прочности в заэвтектических сплавах связано с охрупчиванием, которо-
му способствуют выделения грубых первичных кристаллов упрочняющих фаз.
При комнатной температуре величина первого пика может быть больше
величины второго пика. Но с повышением температуры эффект дисперсионно-
го упрочнения начинает резко снижаться из-за коагуляции упрочняющих час-
тиц, а эффект композиционного упрочнения сохраняется до высоких темпера-
тур, вплоть до температуры эвтектической кристаллизации Т3.
На рис.2.15 схематично представлены зависимости и других механиче-
ских свойств от состава сплавов с композиционным упрочнением: пластично-
сти и твердости. Видно, что пластичность сплавов (относительное удлинение 6)
в области дисперсионного упрочнения резко падает, однаков чисто эвтектиче-
ских сплавах при композиционном упрочнении наблюдается ее заметное
а
Н
б
Состав
Рис.2.15. Зависимости меха-
нических свойств от составов
сплавов с композиционной
структурой эвтектики:
а — участок диаграммы со-
стояния; б, в и г - соответст-
венно зависимости прочности
а, относительного удлинения
5 и твердости Н
64
Состав
Рис.2.16. Зависимость износа
И сопряженных тел и коэф-
фициента трения / от соста-
вов сплавов с композицион-
ной структурой эвтектики:
1 - износ образца; 2 - износ
контртела; 3 - суммарный
износ
Рис.2.17. Схема структуры уча-
стка поверхности трения:
а — не удовлетворяющая пра-
вилу Шарпи, б - соответст-
вующая правилу Шарпи
повышение. В заэвтектических сплавах она
снова снижается (рис.2.15, в). Сопоставление
зависимостей прочности и пластичности по-
казывает, что в области эвтектических со-
ставов наблюдается оптимальное сочетание
механических свойств, обусловленное ком-
позиционным упрочнением.
Твердость сплавов возрастает с увели-
чением в них содержания включений упроч-
няющих фаз, обладающих, как правило, вы-
сокими значениями модуля упругости
(рис.2.15, г).
Правило Шарпи. Сочетание мягкой
металлической матрицы и твердых включе-
ний упрочняющих фаз придает эвтектиче-
ским композитам свойства антифрикцион-
ное™ и износостойкости. С увеличением в
их структуре содержания упрочняющих фаз
монотонно повышается износостойкость
сплавов (уменьшается износ, кривая 1 на
рис.2.16), несколько увеличивается износ
контртела (кривая 2), а кривая суммарного
износа обнаруживает минимум, располо-
женный вблизи эвтектической концентрации
(кривая 3). Эвтектической композиции отве-
чает и минимальный коэффициент трения
(рис.2.16, в).
Характеристика структуры, обеспе-
чивающей хорошие антифрикционные
свойства сплавов, известна как правило
Шарпи. Согласно этому правилу, опти-
мальная структура сплава достигается то-
гда, когда наиболее твердые структурные
составляющие залегают на поверхности
трения в виде изолированных друг от друга
включений, а наиболее вязкие структурные
составляющие образуют сплошную матри-
цу (рис.2.17, б). Это правило было выдви-
нуто применительно лишь к антифрикци-
онным сплавам, но затем оно было исполь-
зовано и для оценки рациональной структу-
ры износостойких сплавов.
Зависимости, приведенные на рис.
2.16, и анализ микроструктуры на поверх-
\
65
ноотях: трения; сплавов с композиционной структурой эвтектики показывают,
4f о в этих сплавах полностью соблюдается правило Шарпи. Однако этот вари-
ант1 структуры обеспечивает не только благоприятное расположение состав-
ляющих на поверхностях трения, но и оптималыюе объемное армирование металла
2.4. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД
Железоуглеродистые сплавы - стали И чугуны ~ важнейшие металличе-
ские сплавы современной техники. По объему производство чугуна и стали бо-
лее чем в 10 раз превосходит производство всех других сплавов, вместе взятых.
Начало изучению диаграммы железо-углерод (а также железоуглероди-
стых сплавов и процессов термической обработки) было положено работой
Д.К. Чернова "Критический обзор статей Лаврова и Калакуцкого о стали и
стальных орудиях и собственные исследования Д.К. Чернова по этому же
предмету", опубликованной в 1868 г. В этой работе Чернов впервые указал на
существование в стали критических точек и на зависимость их положения от
содержания углерода. Впоследствии влияние углерода на положение критиче-
ских точек Чернов изобразил графически, воспроизведя при этом очертания
важнейших линий диаграммы железе—углерод.
Д.К. Чернов определил положение критических точек на глаз, по цветам
каления стали. Известный французский исследователь Ф.Осмонд, воспользо-
вавшись только что изобретенным Ле-Шателье пирометром, определил поло-
жение критических точек, описал характер микроструктурных изменений при
переходе через критические точки и дал названия основным структурам желе-
зоуглеродистых сплавов. Образование твердых растворов при нагреве было за-
мечено Робертс-Аустеном (Англия) и доказано с помощью прямого металло-
графического анализа Ле-Шателье (Франция), А.А. Байковым и Н.Т. Гудцовым
(Россия). Используя эти данные, а также разработанную Д. Гиббсом (Канада)
теорию фазовых равновесий, голландский ученый Г. Розебум, а также Робертс-
Аустен представили первый вариант диаграммы железо-углерод. Недостаток
сведений не позволил им построить достаточно полную диаграмму, отвечаю-
щую действительному фазовому равновесию. Лишь к концу XIX века не-
мецкий ученый П. Геренс, использовавший опыт своих предшественников и
новые данные по микроструктурному и термическому анализу железоуглеро-
дистых сплавов, привел в своей книге диаграмму железо-углерод, достаточно
близкую современному варианту. Изучение диаграммы продолжается и сейчас.
Количественные изменения, связанные с положением линий равновесия, про-
исходят непрерывно.
Методы массового производства стали были открыты в середине XIX в. К
этому времени относятся и первые металлографические исследования железа и
его сплавов.
В России в 30-х годах XIX в. П.П. Аносов применил микроскоп для изу-
чения структуры стали и ее изменения после ковки и термической обработки.
66
За границей первые микроскопические исследования были проведены в 60-х
годах XIX в., с помощью которых изучалась структура железных метеоритов.
Это не случайно, так как первые металлографы-иностранцы были астрономами
(Видманштеттен, Сорби).
Компоненты в системе железо-углерод. Железо - металл сероватого
цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85, атомный радиус 0,127 нм.
Плотность а-железа 7,68 г/см . Чистое железо, которое может быть получено в
настоящее время, содержит 99,999 % Fe, технические сорта 99,8-99,9 % Fe.
Температура плавления железа 1539°С. Железо имеет две полиморфные моди-
фикации: а и у. Модификация а-железа существует при температурах ниже
911°С и выше 1392°С. В интервале температур 1392-1539°С а-железо нередко
обозначают как <5-железо.
Кристаллическая решетка а-железа - объемно центрированный куб (см.
рис. 1,11, б и 1.12, а) с периодом 0,286 нм. До температуры 768°С а-железо
магнитно (ферромагнитно). Температуру 768°С, соответствующую магнитному
превращению, т.е. переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное,
называют точкой Кюри и обозначают Аг-
^железо существует при температурах 911-1392°С; оно парамагнитно.
Кристаллическая решетка ^-железа гранецентрированная кубическая (см.
рис. 1.11, в и 1.12, б) с периодом 0,365 нм при 911°С. Критическую точку рав-
новесия а *-+у при 911°С обозначают Аз (Ас3 для превращения а —>у при нагре-
вании и Аг3 для превращения у—» а при охлаждении).
Углерод является неметаллическим элементом II периода IV группы пе-
риодической системы, атомный номер 6, плотность 2,5 г/см3, температура плав-
ления 3500°С, атомный радиус 0,077 нм. До недавнего времени были известны
три аллотропные формы углерода: графит, алмаз и карбин. В настоящее время
известна четвертая форма - так называемый фуллерен. В обычных условиях в
сплавах Fe-C свободный углерод находится в виде графита, имеющего слои-
стую кристаллическую структуру (см. рис. 1.14) с шестиугольными кольцами в
базисных плоскостях, в которых атомы связаны между собой прочными кова-
лентными связями. Расстояние между атомами в слоях равно 0,142 нм. Слои
слабо связаны между собой и расстояние между ними составляет 0,335 нм.
Кристаллическая решетка алмаза была приведена на рис. 1.7. Каждый
атом углерода в структуре алмаза расположен в центре тетраэдра, вершинами
которого служат четыре ближайших атома. Соседние атомы находятся на рас-
стоянии 0,154 нм и связаны между собой сильными ковал ентными связями (sp3-
гибридизация). Такая структура определяет свойства алмаза как самого твердо-
го вещества, известного на Земле. В обычных условиях алмаз является
метастабильной модификацией. Он стабилизируется при высоких давлениях.
Минимальные параметры превращения графита в алмаз: температура ~1000°С и
давление - 4ГПа.
67
Кристаллическая форма карбина состоит из параллельно ориентирован-
ных цепочек углеродных атомов с sp-гибридизацией валентных электронов в
виде макромолекул -С=С-С=С—... или =С=С=С... Имеются гипотезы о воз-
можности формирования такой структуры в
сплавах Fe-C, но прямого экспериментального
доказательства этому пока нет.
Фуллерен является новой, недавно от-
крытой формой углерода. Молекула фуллерена
С«) содержит фрагменты с шестикратной (гек-
сагоны) и пятикратной (пентагоны) симметрией
(рис.2.18). Последние в неорганических соеди-
нениях не встречаются. Поэтому считают, что
молекула фуллерена является органической, а
кристалл, образованный такими молекулами
(фуллерит), является переходным звеном меж-
Рис.2.18. Молекула фулле- ДУ органическим и неорганическим веществом,
рена Сбо Каждый атом углерода в молекуле См на-
ходится в вершинах Двух шестиугольников и
однолго пятиугольника. Атомы углерода образуют сферу, в которой они связа-
ны сильной ковалентной связью. Толщина сферической оболочки 0,1 нм, ради-
ус молекулы Сю 0,357 нм.
Существуют молекулы высших фуллеренов С7о, С74, С76> Сц, С\ы, С\<ц,
C216, которые также имеют форму замкнутых поверхностей.
Кристаллический фуллерен, названный фуллеритом, имеет решетку ГЦК
с параметром 1,42 нм и ближайшим расстоянием между фуллеренами 1 нм.
Между фуллеренами в кристаллической решетке фуллерита существует слабая
вандерваальсовская связь. При комнатной температуре молекулы С» вращают-
ся вокруг положения равновесия с частотой 10с".
Наиболее эффективный способ получения фуллеренов основан на терми-
ческом разложении графита. В равновесной структуре сплавов Fe-C фуллерены
не обнаружены, однако в последних научных работах имеются сведения о воз-
можности формирования фуллереновых структур в резко неравновесных усло-
виях. При этом в молекулах фуллеренов становится возможным размещение,
кроме атомов углерода, еще и атомов металлических элементов.
Наряду со сфероидальными углеродными структурами, могут образовы-
ваться также и протяженные цилиндрические структуры, называемые нанот-
рубками. Идеальная однослойная нанотрубка представляет собой свернутую в
цилиндр графитовую плоскость. Заканчивается такая нанотрубка фуллерено-
вьши полусферами. Чаще всего встречаются не однослойные, а многослойные
нанотрубки, состоящие из нескольких графитовых слоев, либо вложенных один
в другой, либо навитых на общую ось. !
Углеродные нанотрубки образуются при термическом распылений графи-
тового электрода в плазме дугового разряда, горящей в атмосфере гелия. В
сплавах Fe-C до сих пор такие углеродные структуры обнаружены не были, но
68
можно предполагать, что при соответствующем воздействии на Fe-C-сплавы,
имитирующем приведенные условия, возможно образование и таких углерод-
ных структур.
Фазы в системе железо-углерод. Углерод растворим в жидком и твер-
дом железе, а также может образовывать химическое соединение с железом, т.е.
карбид железа Fe3C, называемый цементитом.
В системе Fe-C различают следующие фазы: жидкий раствор, твердые
растворы (феррит и аустенит), а также цементит и графит.
Феррит (Ф) - твердый раствор углерода и других примесей в «-железе.
Различают низкотемпературный а-феррит с растворимостью углерода до 0,03%
и высокотемпературный феррит (называемый иногда &ферритом) с предельной
растворимостью углерода до 0,1%. Феррит имеет примерно следующие меха-
нические свойства: <ТВ= 250 МПа, <т07= 120 МПа, 5 = 50 %, у/ S 80 %, твер-
дость 80-90 НВ.
Аустенит (А) - твердый раствор углерода и других примесей в ^-железе.
Предельная растворимость углерода в у-железе 2,14%. Аустенит обладает вы-
сокой пластичностью, низкими пределами текучести и прочности.
Цементит Щ) - карбид железа FejC. В цементите содержится 6,67%С.
Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов
(рис.2.19). Температура плавления цементита точно не определена в связи с
возможностью его распада, хотя в последнее время опубликованы данные о пе-
ритектическом его равновесии при температуре около 1260°С:
Fe3C ^РетСз + Ж.
До температуры 210°С, обозначаемой Аа, це-
ментит ферромагнитен. К характерным осо-
бенностям цементита относятся высокая
твердость (-1000 HV) и очень малая пла-
стичность. Цементит является метастабиль-
ной фазой и при температурах аустенитного
состояния может графитизироваться по реак-
ции
FejC-*A+r.
Графит (Г) имеет гексагональную
слоистую кристаллическую решетку (см.
рис. 1.14). Межатомные расстояния в решетке
небольшие и составляют 0,142 нм, расстоя-
ние между плоскостями равно 0,340 нм. Гра-
фит мягок, обладает низкой прочностью и электрической проводимостью.
В сплавах железо-углерод возможно образование,двух высокоуглероди-
стых фаз: метастабильной (цементит) и стабильной (графит). Соответственно
различают и две диаграммы состояния - метастабильную железо-цементит и
стабильную железо-графит.
0,4575 нм
0,5077 нм
Рис.2.19. Кристаллическая
структура цементита
69
Рис.2.20. Диаграмма состояния сплавов системы железо-цементит
Диаграмма состояния железо-цементит (метастабильное равновесие).
На диаграмме состояния железо-цементит (рис.2.20) приведены фазовый со-
став и структура сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67
%С). Участок диаграммы Fe-C вблизи температуры перитектического равнове-
сия 1499°С приведен на рис.2.21.
На диаграмме точка А (1539°С) отвечает температуре плавления железа.
Линия FKL соответствует цементиту, на базе которого возможно образование
твердого раствора (предполагается, что растворимость компонентов в цементи-
те невелика). Точки N (1392°С) и G (911°С) соответствуют полиморфному пре-
вращению (равновесию) а «-+/. Линия ABCD является ликвидусом системы,
Линия AHJECF - солидусом. Три горизонтальные линии (HJB, ECF и PSK) ха-
рактеризуют соответственно три температуры нонвариантных равновесий:
1499°С - перитектического равновесия Ж + Ф*^*А,
1147°С - эвтектического равновесия Ж*-* А + Ц,
727°С - эвтектоидного равновесия А*-* Ф + Ц.
В результате перитектической реакции образуется аустенит. Это превра-
щение наблюдается только у сплавов, содержащих от 0,1 до 0, 5%С.
70
1539
f
1392
0,Ю 0,16 0,50
Содержание углерода, мае. %
Рис.2.21. Участок диаграммы железо-
углерод с перитектическим равновесием,
(перитектическое превращение характе-
ризует первичную кристаллизацию спла-
вов, содержащих от 0,1 до 0, 5%С)
По эвтектической реак-
ции образуется эвтектическая
смесь аустенита я цементита,
называемая ледебуритом. Ре-
дакция эта происходит у всех
сплавов, содержащих более
2,14%С.
Эвтектоидная реакция
протекает у всех сплавов, со-
держащих более 0,03%С. Ре-
зультатом этой реакции являет-
ся образование эвтектоиднои
смеси феррита и цементита, ко-
торую называют перлитом.
Значения координат точек на
диаграмме даны в табл. 2.1 по
результатам наиболее досто-
верных исследований. Приве-
денное буквенное обозначение
точек диаграммы железо-
углерод является общепринятым в международной практике. В соответствии с
диаграммой состояния проводится классификация железоуглеродистых сплавов
(рис.2.20). Для двухкомпонентных сплавов Fe-C ее обычно проводят по содер-
жанию углерода.
Таблица 2.1
Координаты точек диаграммы железо-углерод
Обо-
значе-
ние то-
чек
А
В
Н
J
N
Темпе-
ратура,
°С
1539
1499
1499
1499
1392
Со-
держа-
ние уг-
лерода,
масс. %
0
0,5
0,1
0,16
0
Обо-
значе-
ние то-
чек
Е
С
F
D
G
Темпе-
ратура,
°С
1147
1147
1147
-1250
911
Со-
держа-
ние уг-
лерода,
масс. %
2,14
4,3
-6,3
6,67
0
Обо-
значе-
ние то-
чек
Р
S
К
Q
L
Темпе-
ратура,
°С
727
727
727
-600
-600
Со-
держа-
ние уг-
лерода,
масс. %
0,03
0,8
6.67
0,01
6,67
Особенностью сплавов, содержащих от 0,03 до 2,14%С, является наличие
в их структуре перлита, т.е. эвтектоиднои смеси феррита и цементита (рис.2.22,
б-г). Такие сплавы называют сталями.
При содержании в стали 0,8%С ее структура состоит только из зерен пер-
лита и поэтому ее называют эвтектоиднои. Доэвтектоидные стали содержат
менее 0,8%С, и их структура состоит из феррита (светлые зерна) и перлита (бо-
71
лее темные зерна). В заэвтектоидных сталях содержится более 0,8%С, а в их
структуре присутствуют перлит и вторичный цементит, последний обычно в
виде светлой сетки по границам перлитных зерен.
Рис.2.22. Микроструктуры технического железа и сталей:
а - техническое железо, х 1000; б - доэвтектоидная сталь, х 200; в - эвтектоид-
ная сталь, х 500; г - заэвтектоидная сталь, х 300
Ранее было показано, что для сплавов с эвтектикой можно рассчитать их
структуру. Аналогичный расчет может быть проведен и для сплавов с эвтек-
тоидом. На рис.2.23 приведен участок диаграммы Fe-C для области сталей с
линиями трех сталей: доэвтектоидной (сплав Г), эвтектоиднои (сплав II) и заэв-
тектоидной (сплав III). Для этих сталей построены кривые охлаждения с ис-
пользованием правила фаз и рассчитаны содержания структурных составляю-
щих (в сплавах / и III) или фаз (в эвтектоиднои стали II).
1000
I
I
900
800
700
600
Jl+Ц
Содержание углерода, % мае
Время,
Рис.2.23. Участок диаграммы для области сталей и кривые охлаждения доэв-
тектоидной (сплав I), эвтектоиднои (сплав Я) и заэвтектоидной* (сплав III) ста-
лей
72
В доэвтектоидной стали, содержащей 0,4%С (сплав I), при охлаждении от
температуры ~900°С на участке 1 кривой охлаждения сохраняется структура
аустенита, на участке 2' происходит полиморфное превращение А —> Ф, остав-
шийся аустенит на участке 3 претерпевает эвтектоидное превращение по реак-
ции А —» П, после чего сформировавшаяся структура Ф + П на участке 4' прак-
тически не меняется (хотя возможно незначительное изменение фазового со-
става за счет выделения третичного цементита из феррита). В условиях равно-
весия на участке 1 число фаз Ф=1 (аустенит А), число степеней свободы С=2; на
участке 2' Ф=2 (А+Ф), 6=1, на участке 3 Ф=3 (А+Ф+Ц), С=0; на участке 4'
Ф=2 (Ф+Ц), С=1. Расчет структуры по правилу отрезков дает следующее со-
держание составляющих (без учета третичного цементита):
%Я = Мг.М1(Юк48) о/оф=0»8-°»4 100,52.
0,8-0,03 0,8-0,03
Аналогичный анализ для сплава /// (заэвтектоидной стали, содержащей 1,1 %С)
по участкам кривой охлаждения дает следующие результаты: 1) Ф=1 (А), С=2;
2")Ф=2(А+Ц),С=1; 3)Ф=3 (А+Ф+Ц), С=0; 4") Ф=2 (Ф+Ц), С=1. При расчете
структуры по правилу отрезков имеем
о/оЯ=_^!67-и1о0яа94,9, %/|2=-У^-100»5,1.
6,67-0,8 6,67-0,8
Особенность эвтектоидной стали (сплав II) состоит в том, что на ее кри-
вой охлаждения нет участка 2 (т.е. весь аустенит претерпевает эвтектоидное
превращение) и вслед за участком 1 с С=2 идет участок 3 с С=0. В этой стали
после охлаждения вся структура состоит из перлита (% П =100). Поскольку
перлит состоит из феррита и цементита, определим количество каждой фазы.
По правилу отрезков имеем
%Ф=6'67-0'8 100^88,4, %4=-^^-100,11,6.
6,67-0,03 6,67-0,03
К чугуном относят железоуглеродистые сплавы, в структуре которых со-
держится эвтектика. В системе железо-цементит эвтектикой является ледебу-
рит, основу которого составляет хрупкая фаза — цементит. Поэтому сплавы с
наличием в структуре ледебурита разрушаются хрупко, имеют в изломе свет-
лый блестящий цвет. По виду излома их называют белыми чугунами. По хими-
ческому составу к белым чугунам относят сплавы, содержащие более 2,14%С.
Проведем анализ структуры белых чугунов. По микроструктуре белые
чугуны подразделяют на доэвтектические (рис.2.24, а), эвтектический (рис.
2.24, б) и заэвтектические (рис.2.24, в). Эвтектический яугун содержит 4,3%С
и его структура состоит только из ледебурита. В доэвтектических чугунах со-
держание углерода менее 4,3%С,и после кристаллизации в их структуре нахо-
дятся первичный аустенит и ледебурит. Микроструктура заэвтектических чугу-
нов, содержащих более 4,3%С, состоит из ледебурита и первичного цементита.
73
а о в
Рис.2.24. Микроструктуры белых чугунов, х 200:
а - доэвтектического; б - эвтектического; в - заэвтектического
В белых чугунах протекает не только эвтектическое превращение, но и
эвтектоидный распад аустенита с образованием перлита (ниже 727°С). Поэтому
в окончательно сформировавшейся микроструктуре белых чугунов ледебурит
состоит из цементита и перлита, а в микроструктуре доэвтектических чугунов
присугствует избыточный перлит.
Часть диаграммы железо-цементит с указанием микроструктуры чугунов
приведена на рис.2.25. На этом же рисунке даются кривые охлаждения трех чу-
гунов. На всех кривых охлаждения участок 1 характеризует охлаждение жид-
кой фазы, на участке 2 происходит кристаллизация избыточной фазы (аустени-
та в доэвтектическом чугуне и цементита Щ в заэвтектическом чугуне), на уча-
стке 3 протекает нонвариантная эвтектическая реакция с образованием ледебу-
рита, при охлаждении на участке 4 из аустенита выделяется цементит вторич-
ный (но даже в доэвтектическом чугуне он часто наслаивается на эвтектиче-
ский цементит и не наблюдается в виде отдельной составляющей), участку 5
соответствует эвтектоидное (перлитное) превращение аустенита, на участке 6
происходит охлаждение окончательно сформировавшейся структуры (происхо-
дящее на этом участке выделение третичного цементита совершенно не сказы-
вается на микроструктуре чугунов).
При расчете по правилу отрезков структуры белого доэвтектического чу-
гуна, содержащего 3%С (см. сплав / на рис.2.25), имеем:
ЩЛ + Цг)= 3~0,8 ■ 100*62,9,
%П= 43 3 -100 «37,1,
4,3-0,8 " '— -^' 43-0,8
Структура белого заэвтектического чугуна, содержащего 5,5%С, состоит
из ледебурита и цементита первичного в следующем соотношении:
%Л = М^|. 100* 49,4, %Ц= 5>5~4'3 -100*50,6,
6,67-4,3 ■ MI 6,67-43
74
1400
1300
12 3 4 5 6
Содержание углерода, %мас.
Время
Рис.2.25. Участок диаграммы железе—цементит и кривые охлаждения для белых
чугунов трех видов: доэвтектического (сплав /), эвтектического (сплав II) и за-
эвтектического (сплав III)
Можно также рассчитать фазовый состав ледебурита на момент его кри-
сталлизации. По правилу отрезков имеем:
4 1 - 2.14
%Ц = ' ^100 и 51,9,
6,3-2,14
%А--
6,3-4,3
6,3-2,14
100*48,1.
Диаграмма состояния сплавов железо-графит (стабильное равнове-
сие). Образование стабильной фазы - графита - может происходить в резуль-
тате непосредственного выделения его из жидкого (твердого) раствора или
вследствие распада предварительно образовавшегося цементита. Процесс обра-
зования в железоуглеродистых сплавах графита называют графитизацией.
На рис.2.26 приведена диаграмма состояния железо-углерод с двойными
линиями: штриховые линии соответствуют стабильному равновесию железо-
графит, сплошные - метастабильному равновесию железо-цементит. На этой
диаграмме показаны лишь структурные области, относящиеся к стабильной
системе. В этой системе при температурах, соответствующих линии CD', начи-
нается кристаллизация первичного графита. При температуре 1153°С (линия
E'C'F') образуется эвтектика аустенит + графит (ГЭ). По линии E'S' выделяется
вторичный графит Г2, а при температуре 738°С (линия P'S'K1) образуется эвтек-
тоид, состоящий из феррита и графита.
Вероятность образования в жидкой фазе (или аустените) метастабильного
цементита, содержащего 6,67%С, значительно больше, чем графита, состояще-
го только из атомов углерода. Графит образуется при очень малой скорости ох-
лаждения, когда степень переохлаждения жидкой фазы невелика. Ускоренное
75
охлаждение частично или полностью прекращает кристаллизацию графита и
способствует образованию цементита. При охлаждении жидкого чугуна ниже
1147°С образуется цементит. Железоуглеродистые сплавы (чугуны и стали), в
структуре которых присутствует графит, называют графитизированными. В
структуре графитизированных чугунов присутствует графитная эвтектика (ГЭ).
Из диаграммы (см. рис.2.26) видно, что в таких чугунах содержание углерода
превышает 2,11%.
1600
Ф+Ж
1400
I
&
е
1200
1000
800
Р
7\
iV \
А
G
\*ы
Л'/
0,69
Ь 1
Е'
ф/
/а+ъ
А+Ж
ж
/
V »_j^^
с
■ А+ГЭ
L_
ф+г
l 7??...
Г
'. Ф+ГЭ
4ДЗ
2 3 4
//>'
•7
Ж+Г,
1153 J
\
ГЭ+Г,
ГЭ+Г,
5 6
—»
F'
-*К'
7
Содержание углерода, % мае.
Рис.2.26. Диаграмма железо-углерод с двойными линиями (сплошными — мета-
стабильная железо-цементит, штриховыми - стабильная железо-графит)
В жидком чугуне могут присутствовать различные включения (графит,
S1O2, AI2O3 и др.). Эти частицы облегчают образование и рост графитных заро-
дышей. При наличии готовых зародышей процесс образования графита может
протекать и при температурах, лежащих ниже 1147°С. Этому же способствует
легирование чугуна кремнием, который вызывает процесс графитизации.
Графит, образующийся из жидкой фазы, растет из одного центра и, раз-
ветвляясь в разные стороны, приобретает дендритную форму с сильно искрив-
ленными лепестками (рис.2.27, а). В плоскости шлифа графит имеет вид прямо-
линейных или завихренных пластинок, которые представляют собой сечения
графитных лепестков (рис.2.27, б). Такой графит называют пластинчатым, а
чугун с такой формой графита — серым чугуном с пластинчатым графитом.
Серым чугун называют по цвету излома (в связи с напылением излома выкра-
шивающимся графитом).
76
Рис.2.27. Структура графита: а - включения графита, выделенные из чугуна;
б - включения графита в микроструктуре чугуна
Если в процессе кристаллизации образуется цементит (первичный или эв-
тектический), то при определенных условиях возможен его распад с образова-
нием аустенита и графита.
При последующем медленном охлаждении возможно выделение графита
из аустенита и образование эвтектоидного графита в интервале температур 738-
727°С.
Основная масса графита в серых чугунах образуется в период кристалли-
зации из жидкой фазы. Графит, возникающий при распаде аустенита, не обра-
зует самостоятельных выделений, а наслаивается на имеющиеся графитные
включения, увеличивая их размеры. При переохлаждении аустенита до темпе-
ратуры ниже 727°С его распад происходит с образованием ферритно-
цементитной структуры. Если чугун, в котором углерод находится в виде це-
ментита, подвергнут длительному нагреву при высоких температурах, в нем
протекает процесс графитизации, т.е. распад цементита на фафит и феррит при
температурах ниже 738°С или на графит и аустенит при более высокой темпе-
ратуре.
Изложенный в настоящей главе металловедческий подход к формирова-
нию состояния и структуры материалов позволяет более осознанно подойти к
их поведению при трении изнашивании.
77
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 2
1. Что собой представляет металлический сплав?
2. Какие фазы могут присутствовать в структуре сплавов?
3. Что собой представляет твердый раствор замещения? Каковы условия
образования, неограниченных твердых растворов? Что такое сверхструктура? '
4. Каковы особенности твердых растворов внедрения? Приведите примеры.
5. Какие химические соединения могут присутствовать в металлических
сплавах? Что собой представляют интерметаплиды?
6. Что такое диаграмма состояния? Какие вы знаете виды диафамм со-
стояния двойных систем?
7. Что собой представляет правило фаз? Определите число степеней сво-
боды в двойных сплавах с разным количеством фаз.
8. Что такое конода? Сформулируйте правило отрезков и дайте его мате-
матическое выражение.
9. Что такое эвтектика? Опишите процесс звтекгаческоЙ1фис1аллизации.
10. Приведите схему и опишите процесс неравновесной кристаллизации
сплавов. Что такое дендритная ликвация и как она формируется?
11.Как можно получить пересыщенный твердый раствор в сплаве с офа-
ниченной растворимостью? Как называется такой технологический процесс?
12 Каковы особенности перитектического превращения? Приведите пример.
13. Что собой представляет эвтектоидное превращение?
14. Как определяется состав тройного сплава?
15. Что характеризуют правила Курнакова? Дайте их формулировку.
16. В каких случаях возможны отклонения от правил Курнакова?
17. Что такое композиционное упрочнение? Каковы его особенности?
18.Сформулируйте правило Шарпи. Для каких сплавов ешбьшо предложено?
19. В каких аллотропических формах может присутствовать железо в
сплавах Fe-C? Каковы особенности кристаллической структуры модификаций
железа?
20. Перечислите возможные аллотропические модификации углерода.
Чем объясняется резкое различие свойств графита и алмаза? Что собой пред-
ставляют фуллерены и фуллериты?
21. Какие фазы могут присутствовать в железоуглеродистых сплавах?
Дайте характеристику каждой фазы.
22. Приведите классификацию сплавов на основе диаграммы Fe-C.
23.С использованием правила фаз постройте кривые охлаждения для до-
эвтектоидной и заэвтектоидной сталей.
24. Что такое перлит? Каково содержание углерода в перлите?
25.С использованием правила отрезков рассчитайте Сфуктуру сталей с
содержанием углерода 0,5% и 1,2%.
26. Что собой представляет ледебурит? Рассчитайте его фазовый состав.
27. Что такое фафитизация? В чем состоит различие диафамм железо-
Цементит и железс—фафит? Какую форму имеет фафит в серых чугунах?
78
ЧАСТЬ II. ТЕРМИЧЕСКАЯ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ
ОБРАБОТКА СТАЛИ
Термическая и химико-термическая обработка представляет собой эф-
фективный способ технологического воздействия на материалы деталей машин
с целью изменения их физико-механических свойств применительно к конкрет-
ным условиям эксплуатации.
ГЛАВА 3. ТЕОРИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ
Термическая обработка представляет собой технологический процесс, со-
стоящий как минимум из трех операций (нагревания, выдержки и охлаждения),
проводимый с целью направленного изменения структуры и (или) свойств
сплавов. Режим самой простой тер-
мической обработки представлен
графически на рис. 3.1.
Термическую обработку с
очень медленным охлаждением
(обычно вместе с печью) называют
отжигом. Обработку с ускоренным
охлаждением (на спокойном воздухе)
называют нормализацией, или норма-
лизационным отжигом. Фазовые пре-
вращения при отжиге и нормализации
являются диффузионными. Термиче-
скую обработку с быстрым охлажде-
нием, предотвращающим диффузи-
онный характер превращения, назы-
вают закалкой.
Структурные и фазовые пре-
вращения в сплавах могут проходить
на всех стадиях (операциях) термиче-
ской обработки. Термическая обра-
ботка стали чаще всего сопровождается фазовыми превращениями, обуслов-
ленными полиморфизмом железа или процессами растворения и выделения
карбидов. Ниже будут рассмотрены основы теории термической обработки
применительно к сталям.
3.1. КРИТИЧЕСКИЕ ТОЧКИ В ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВАХ
Наличие критических точек в стали было впервые установлено русским
металлургом Д. К. Черновым.
Критические точки - это температуры, соответствующие фазовым или
структурным равновесиям в сплавах (равновесные критические точки), или
Время, ч
Рис.3.1. Схематичное изображение
режима термической обработки с
несколькими вариантами охлажде-
ния: 1 - очень медленное охлажде-
ние (при отжиге); 2 - ускоренное
охлаждение (при нормализации); 3 -
быстрое охлаждение (при закалке)
79
температуры, при которых происходят превращения (неравновесные критиче-
ские точки). Так же, как и для чистого железа, эти точки принято обозначать
буквой А с соответствующим равновесию или превращению индексом. Для не-
равновесных критических точек используются дополнительные индексы. В
случае нагревания к обозначению критической точки добавляется индекс "с", в
случае охлаждения - индекс "г". Критические точки в стали связаны с алло-
тропными превращениями железа Fea<-*Fer, а также с изменением раствори-
мости углерода в ^-железе.
Точка А/ соответствует температуре равновесия аустенита с перлитом
(А<->П). Для сплавов железо-цементит (сталей и белых чугунов) эта точка ле-
жит на линии РК диаграммы и составляет 727°С (см. рис.2.21).
Точка Act обозначает превращение перлита в аустенит при нагревании
(П->А). Точка Ari характеризует обратное превращение - аустенита в перлит
при охлаждении (А—>П).
Точки Асз и Аг3 характеризуют соответственно окончание превращения
феррита в аустенит при нагревании (Ф->А, окончание) и начало обратного пре-
вращения аустенита в феррит при охлаждении (А->Ф, начало) в доэвтектоид-
ных сталях. В равновесных условиях (т.е. при бесконечно медленном нагрева-
нии или охлаждении) эти точки соответствуют линии G& диаграммы Fe-C. Их
обозначают А3 (А«-»Ф). Положение этих точек зависит от содержания углерода
встали.
Равновесные точки Ааи характеризуют равновесие аустенита и цементита
(А«->Ц) и соответствуют линии SE диаграммы Fe-C.
Точки А Сет и Агст обозначают соответственно окончание растворения в
аустените вторичного цементита при нагревании (Цг~>А, окончание) и начало
выделения вторичного цементита из аустенита при охлаждении (А-^Цг, начало)
в заэвтектоидных сталях.
При проведении операций нагревания или охлаждения в реальных усло-
виях критические точки не соответствуют диаграмме Fe-C и зависят от скоро-
сти нагревания или охлаждения. На положение этих точек оказывают влияние
также легирующие элементы и различные примеси.
• Для углеродистых сталей при условии очень медленного нагревания или
охлаждения точки Ас лежат немного (на несколько градусов) выше, а точки Аг
ниже соответствующей равновесной температуры. В случае реальных условий
черева для получения устойчивой структуры, соответствующей диаграмме Fe-
Q необходимо доэвтектоидные стали перегревать выше критических точен на
*Ь30РС, а заэвтектоидные стали - на 30-70°С. При ускоренном нагреве процесс
°Ч^зования аустенита смещается в область высоких температур щ сотни гра-
*Усов, а поэтому пользоваться диаграммой состояния Fe-C в качестве единст-
■ЧиЮго источника для выбора температуры Нагрева нельзя, ..,,"
•%; .Легирующие элементы (специально вводимые в сплав дополнительно) и
~***№си могут понижать или повышать положение критических точек. Так,
Градообразующие элементы (v> M°. W, Ti, Cr и др.) уменьшают коэффици-
80
ент диффузии углерода и тормозят превращение перлита в аустенит. Элементы,
хорошо растворяющиеся в аустените (Ni, Mn и др.), повышают его устойчи-
вость и снижают положение критических точек. Элементы, хорошо раство-
ряющиеся в феррите (Si, A1 и др.), уменьшают устойчивость аустенита и по-
вышают положение критических точек Ai и А3. В связи с этим в технических
сталях, содержащих 0,5-0,6% Si и 0,7-0,8%Мп, а также другие примеси, поло-
жение критических точек несколько отличается от диаграммы Fe-C. Более зна-
чительны отклонения в легированных сталях, у которых равновесные критиче-
ские точки соответствуют не одной температуре, а интервалу температур, обо-
значаемому соответствующими верхними индексами начала и конца, например,
а:-л-.
Для стали каждого конкретного состава необходимо определять положе-
ние критических точек исходя из реальных условий нагревания и охлаждения.
Полученные в этом случае значения критических точек можно использовать
при назначении режимов термической обработки стали.
3.2. ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛЯХ ПРИ НАГРЕВАНИИ
Фазовые и структурные превращения. При многих видах термической
обработки сталь нагревают до температур, соответствующих существованию
аустенита. Образование аустенита при нагреве является диффузионным про-
цессом.
Общее представление о превращениях, которые протекают в стали при
нагреве, дает диаграмма состояния железо-цементит (рис.2.21). При нагреве эв-
тектоидной стали несколько выше критической точки А/ (т.е. в точке Аа) пер-
лит превращается в аустенит. Превращение состоит из двух одновременно про-
текающих процессов: полиморфного перехода а-+у и растворения в аустените
цементита.
При нагреве доэвтектоидной стали выше температуры критической точки
Аа после превращения перлита в аустенит образуется двухфазная структура,
состоящая из аустенита и феррита. При дальнейшем нагреве в интервале Аа-
Асз феррит постепенно превращается в аустенит: содержание углерода в аусте-
ните при этом уменьшается в соответствии с линией GS диаграммы. При тем-
пературе Асз феррит исчезает, а средняя концентрация углерода в аустените
становится равной содержанию его в стали.
Аналогично протекает превращение и в заэвтектоидной стали. При тем-
пературе несколько выше критической точки А у перлит превращается в аусте-
нит. В интервале температур Аы-Асст происходит растворение избыточного
цементита. Выше температуры Асст будет только аустенит, содержание углеро-
да в котором соответствует его содержанию в стали.
Механизм процесса превращения перлита в аустенит состоит в зарож-
дении зерен аустенита и их росте. Первоначальные зародыши аустенита при на-
греве несколько выше критической точки А, образуются сдвиговым путем {а—*
81
....т) при сохранении когерентных границ. Зародыш аустенита возникает на меж-
...ч.фазовой фанице раздела феррита и цементита (рис.3.2, б). В результате этого
, превращения образуются включения низкоуглеродистого аустенита пластинча-
»■ той формы. Образовавшиеся зародыши аустенита растут при интенсивной диф-
фузии атомов углерода в аустенит из растворяющегося цементита.
Рис.3.2. Схема превращения ферритнс-цементитной структуры (перли-
та) в аустенит: а - исходная структура перлита; б - образование заро-
дышей аустенита; в — структура аустенита с участками нерастворивше-
гося цементита; г - аустенитная структура после полного превращения
При росте зародыша когерентность решеток а И /нарушается, сдвиговый
механизм заменяется нормальным механизмом роста и зерна аустенита приоб-
ретают равноосную форму. Одновременно зарождаются новые зерна аустенита.
Рост участков аустенита протекает быстрее, чем растворение цементита, по-
этому в структуре стали сохраняется еще некоторое количество цементита
(рис.3.2, в) и для его растворения в аустените продолжительность изотерми-
ческой выдержки должна быть увеличена. Образовавшийся аустенит неодноро-
ден по содержанию углерода. В участках, прилегающих к частицам цементита,
концентрация углерода в аустените выше, чем в участках, прилегающих к фер-
риту. Для его гомогенизации требуется дополнительное время.
Процесс превращения перлита в аустенит резко ускоряется при повыше-
нии температуры. Время, необходимое для образования аустенита при темпера-
турах, близких к А, (727°С), составляет минуты, тогда как при 800-850°С пре-
вращение происходит в течение 5-10 с.
Скорость превращения перлита в аустенит зависит не только от темпера-
1 туры нафева, но и от структуры перлита. Чем дисперснее перлитная структура,
тем больше возникает зародышей аустенита и меньше пути диффузии, а следо-
вательно, быстрее протекает процесс аустенитизации. Предварительная сфе-
роидизация цементита, особенно с образованием крупных его глобулей, замед-
ляет процесс образования аустенита.
Чем больше в стали углерода, тем быстрее протекает процесс аустенити-
зации, что объясняется увеличением количества цементита, а следовательно, и
ростом суммарной поверхности раздела феррита и цементита.
82
Введение в сталь хрома, молибдена, вольфрама, ванадия и других карби-
дообразующих элементов задерживает процесс аустенитизации вследствие об-
разования легированного цементита или карбидов легирующих элементов, бо-
лее трудно растворимых в аустените. Медленнее протекает в этом случае и про-
цесс гомогенизации аустенита.
При непрерывном нагреве превращение перлита в аустенит протекает в
некотором интервале температур. Чем выше скорость нагрева, тем при более
высокой температуре происходит превращение перлита в аустенит и тем боль-
ше интервалы температур, в которых протекает это превращение. Поэтому при
скоростном нагреве, например токами высокой частоты, температура нафева
для аустенитизации стали должна быть выше, чем при сравнительно медленном
печном нафеве.
Рост зерна аустенита при нагревании и выдержке. При нафеве до
температуры Act или немного выше число зародышей всегда достаточно велико
и начальное зерно аустенита мелкое. Чем выше скорость нагрева, тем меньше
зерно аустенита, так как скорость образования зародышей выше, чем скорость
ихроста.
При дальнейшем повышении температуры или увеличении длительности
выдержки при данной температуре происходит собирательная рекристаллиза-
ция и зерно увеличивается (рис.3.3). Рост зерна аустенита происходит самопро-
извольно, причем крупные зерна растут за счет более мелких, а следовательно,
термодинамически менее устойчивых.
Способность зерна аустенита к
Температура, 'С
Рис.3.3. Влияние температуры на-
фева на величину зерна аустенита в
наследственно крупнозернистой (1)
и наследственно мелкозернистой (2)
эвтектоидной стали: dtHdj- размер
зерна в соответствующих сталях
при 930°С
росту неодинакова даже у сталей одного
марочного состава вследствие влияния
условий их выплавки. По склонности к
росту зерна различают два предельных
типа сталей: наследственно мелкозерни-
стые и наследственно крупнозернистые.
В наследственно мелкозернистой
стали при нагреве до высоких температур
(1000-1050°С) зерно увеличивается не-
значительно, однако при более высоком
нагреве наступает бурный рост зерна. В
наследственно крупнозернистой стали
наоборот, сильный рост зерна наблюда-
ется даже при незначительном перегреве
выше Аа.
Различная склонность к росту зер-
на определяется условиями раскисления
стали и ее составом. Стали, раскислен-
ные алюминием, наследственно мелко-
зернистые, так как в них образуются
дисперсные частицы A1N, тормозящие
83
рост зерна аустенита. Растворение этих частиц влечет за собой быстрый рост
зерна.
Легирующие элементы, особенно карбидо- и нитридообразующие, задер-
живают рост зерна аустенита. Наиболее сильно действуют Ti, V, Nb, Zr, A1 и N,
образующие трудно растворимые в аустените карбиды и нитриды, которые
служат барьером для роста зерна. Одновременно нерастворимые карбиды и
нитриды оказывают зародышевое влияние на образование новых зерен аусте-
нита, что также приводит к получению более мелкого зерна. Марганец и фос-
фор способствуют росту зерна аустенита.
Под наследственной зернистостью подразумевают склонность аустенит-
ного зерна к росту. Размер действительного зерна аустенита обусловлен не
только наследственными факторами, но и температурой нафева и продолжи-
тельностью выдержки при ней. На свойства стали влияет только действитель-
ный размер зерна.
Продолжительный нафев стали при температурах, значительно превы-
шающих верхнюю критическую точку, приводит к образованию крупного дей-
ствительного зерна как непосредственно при этой температуре, так и после ох-
лаждения до 20°С. Такой нагрев принято называть перегревом стали. Перегре-
тая сталь характеризуется хрупким изломом. Сфуктуру перегретой стали мож-
но исправить повторной термической обработкой-
Рис.3.4. Шкала размеров зерен, х 100
84
Величину зерна определяют баллами. Между номером зерна N (баллом) и
количеством зерен и, помещающихся на 1 мм2 площади шлифа, существует
следующая зависимость:
Стали с номером (баллом) зерна 1-5 относят к крупнозернистым, а с но-
мером зерна 6-15 к мелкозернистым.
3.3. ПРЕВРАЩЕНИЯ АУСТЕНИТА ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ
Распад аустенита. Превращение аустенита в перлит заключается в рас-
паде аустенита на феррит (почти чистое or-железо) и цементит, содержащий
6,67%С. Поэтому такое превращение может проходить только путем перерас-
пределения углерода, т.е. путем диффузии. Превращение начинается в точке
Аг/, т.е. при некотором переохлаждении относительно равновесной точки А/.
Чем ниже температура превращения, тем больше переохлаждение и тем быст-
рее происходит превращение. Однако с понижением температуры скорость
диффузии резко уменьшается, что должно приводить к замедлению превраще-
ния. Суммарное действие обоих факторов приводит к тому, что вначале с уве-
личением переохлаждения скорость превращения возрастает, достигает при ка-
ком-то значении переохлаждения максимума и затем убывает. У эвтектоидной
стали максимальная скорость превращения достигается при переохлаждении
170-180°С.
Превращение протекает в соответствии с обычными закономерностями
кристаллизации, т.е. путем образования и роста зародышей. Процесс этот про-
исходит во времени и может быть изображен в виде так называемой кинетиче-
ской кривой превращения, показывающей количество образовавшегося перлита
в зависимости от времени, прошедшего с начала превращения (рис.3.5).
Начальный период характеризуется весьма малой скоростью превраще-
ния - это так называемый ин-
кубационный период. Экспе-
риментально этот период оп-
ределяется обычно при 1%-
ном превращении аустенита в
перлит. Скорость превраще-
ния возрастает по мере того,
как развивается превращение.
Максимум скорости превра-
щения соответствует пример-
но 50%-ной степени превра-
щения. В дальнейшем ско-
рость превращения уменьша-
ется и превращение заканчи-
вается очень медленно.
Время
Рис.3.5. Кинетические кривые превра-
щения аустенита при различных тем-
пературах: tf> h> /»>...
85
Диаграмма изотермического распада аустенита. Для описания кинети-
ки превращения переохлажденного аустенита пользуются экспериментально
: построенными диаграммами время ~ температура - степень распада или диа-
граммами изотермического превращения аустенита, т.е. превращения, проте-
кающего при постоянной температуре (или постоянной степени переохлажде-
ния).
Скорость превращения зависит от степени переохлаждения. При малых и
значительных переохлаждениях превращение происходит медленно: в Первом
случае из-за малой термодинамической склонности аустенита к распаду, во
втором - из-за малой диффузионной подвижности атомов. При максимальной
скорости превращения кинетические кривые идут круто вверх, превращение за-
канчивается за малый отрезок времени.
На рис.3.5 показана серия кинетических кривых, относящихся к разным
температурам (разным степеням переохлаждения). На основе этих кривых по-
строена диаграмма изотермического превращения аустенита (рис.3.6).
800
700
600
V 500
t 400
| 300
£ 200
100
о
-100
Время
Рис.3.6. Диаграмма изотермического превращения аустенита в эвтектоидной
стали: / - область диффузионного (перлитного) превращения; // - область
промежуточного (бейнитного) превращения; III- область бездиффузионного
(мартенситного) превращения; П -пластинчатый перлит; С-пластинчатый
сорбит; Т - пластинчатый троостит; ВБ - верхний бейнит; НБ - нижний
бейнит
На этой диаграмме плавными кривыми соединяются соответственно точ-
ки начала превращения (кривая 1) и точки его окончания (кривая 2). Область,
лежащая левее кривой 1, определяет продолжительность инкубационного пе-
риода и соответствует структуре переохлажденного аустенита; промежуток
между линиями 1 и 2 характеризует область превращения аустенита, а области
А,= 11ТС
-~7^- >^^
__. ^._.
=■
—
V V вб[
А-+М
/
НБ
—- _____^_———_-
"
А
1'
II
м„
III
мк
86
правее кривой 2 соответствует структура с продуктами .распада аустенита. Обе
кривые имеют С-образный вид с минимальным инкубационным периодом и
минимальной длительностью превращения при ~550°С. При переохлаждении
аустенита до температуры, равной или ниже точки Мн, диффузионные процес-
сы полностью подавляются. При более низких температурах протекает бездиф-
фузионное превращение аустенита, продуктом которого является мартенсит.
В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три тем-
пературные области превращения: перлитную, промежуточного превращения
(промежуточного между перлитным и мартенситным превращением) и мар-
тенситную.
Перлитное превращение. Продукты превращения и их свойства.
Перлитное превращение переохлажденного аустенита протекает при тем-
пературах .4;-550°С (рис.3.6). В процессе превращения происходит полиморф-
ное у—> а -превращение и диффузионное перераспределение углерода в аусте-
ните, что приводит к образованию ферритно-цементитной структуры (перлита).
Аустенит, практически однородный по концентрации углерода, распада-
ется с образованием феррита (почти чистое железо) и цементита, содержащего
6,67%С, т.е. состоит из фаз, имеющих различную концентрацию углерода
(рис.3.7). Ведущей, в первую очередь возникающей фазой при этом является
цементит. Его зародыши, как правило, образуются на границах зерен аустенита.
В результате роста частиц цементита прилегающий к нему объем аусте-
нита обедняегся углеродом, снижает свою устойчивость и испытывает поли-
морфное у —► а -превращение. При этом участки феррита зарождаются на гра-
нице с цементитом, который облегчает этот процесс.
Последующий рост ферритных пластинок ведет к обогащению окружаю-
щего аустенита углеродом, что затрудняет дальнейшее развитие у-* а- пре-
вращения. В обогащенном таким образом углеродом аустените зарождаются
новые и растут ранее возникшие пластинки цементита. Вследствие этих про-
цессов вновь создаются условия для возникновения новых и роста имеющихся
прослоек (пластинок) феррита. В результате происходит колониальный (совме-
стный) рост феррита и цементита, образующих перлитную колонию.
Продукты перлитного превращения имеют пластинчатое строение. Пла-
стинчатые структуры эвтектоидного типа часто определяют как перлит, сорбит
и троостит или соответственно грубо-, средне- и тонкодифференцированный
перлит. Чем больше переохлаждение, тем тоньше получается структура фер-
ритно-цементитной смеси, т.е. меньше межпластиночное расстояние, равное
усредненной сумме толщин пластинок феррита и цементита, и выше твердость.
Ниже приведены характеристики пластинчатых ферритно-цементитных струк-
тур (температурный интервал образования At, межпластиночное расстояние А и
твердость НВ):
Структура Перлит Сорбит Троостит
At,°C 727-650 650-600 600-550
Д,мкм 0,5-1,0 0,25-0,4 0,1-0,2
НВ 180-250 250-350 350-450
87
' // III VII
Рис.3.7. Схема возникновения и роста перлитного зерна:
/- исходная структура (аустенит); II - образование зародышей цементита на
границах аустенитных зерен; III- образование пластин цементита и феррита;
IV- VI - рост и образование новых участков ферритно-цементитной структуры;
VII- увеличенная схема пластинчатой ферритно-цементитной структуры
Микроструктуры эвтектоидной стали с разной дисперсностью ферритно-
цементитной смеси приведены на рис. 3.8 при большом увеличении (электрон-
ного микроскопа).
Рис.3.8. Влияние температуры распада аустенита на микроструктуру
эвтектоидной стали: а ~ перлит, распад при 700°С, х 7500; б - сорбит,
распад при 650°С, х 7500; в -троостит, распад при 600°С, х 15000
88
Хотя перлит, сорбит и троостит, образующиеся при диффузионном рас-
паде переохлажденного аустенита, являются однотипными структурами и раз-
личаются лишь степенью дисперсности, однако, в отличие от перлита (эвтек-
тоида), сорбит и троостит, называемые квазиэвтектоидами, не являются равно-
весными структурами и не соответствуют эвтектоидному составу (содержат уг-
лерода больше или меньше 0,8 %).
Механические свойства пластинчатых структур зависят от их дисперсно-
сти. Твердость, пределы прочности, текучести и выносливости возрастают от
перлита к трооститу; пластичность (относительное удлинение и относительное
сужение) слабо зависит от дисперсности структуры (т.е. от температуры пре-
вращения), несколько снижаясь при переходе к трооститу; ударная вязкость
при комнатной температуре наивысшая у сорбита, а при отрицательных темпе-
ратурах мало зависит от температуры превращения (рис. 3.9).
Мартенситное пре-
вращение. Мартенсит явля-
ется упорядоченным пере-
сыщенным твердым раство-
ром внедрения углерода в
а-железе. Если в равновес-
ном состоянии раствори-
мость углерода в а-железе
при 20°С не превышает
0,003%, то его содержание в
мартенсите может быть та-
ким же, как в исходном ау-
стените. Чем больше в мар-
тенсите углерода, тем силь-
нее искажается его кристал-
лическая решетка и тем
больше отношение с/а, т.е.
больше тетрагональность
решетки (рис. 3.10).
Мартенситное превра-
щение носит бездиффузион-
ный характер, т.е. не сопро-
вождается диффузионным
перераспределением атомов
углерода и железа в решетке
аустенита. Оно осуществля-
ется путем сдвига. Сдвиго-
вый механизм превращения
отличается кооперативным
направленным смещением атомов в процессе перестройки решетки. Отдельные
атомы смещаются относительно друг друга на расстояния, не превышающие
°700 600 500 400 300
Температура превращения, "С
Рис.3.9. Зависимость механических свойств
эвтектоидной стали от температуры превра-
щения переохлажденного аустенита
89
межатомные, сохраняя взаимное соседство, однако величина абсолютного
смещения растет пропорционально удалению от межфазной границы. Это при-
водит к макроскопическому сдвигу, внешним проявлением которого является
микрорельеф на поверхности шлифа (рис. 3.11). В процессе превращения кри-
сталлы мартенсита сопряжены с аустенитбм по определенным кристаллографи-
ческим плоскостям и межфазная граница не образуется. Пока на границе мар-
тенсита и аустенита существует сопряженность решеток (когерентность), ско-
рость образования и роста кристаллов мартенсита очень велика (~103 м/с).
Ой
• с
0,30
| 0,29
0,28
Содержание
углерода, %мас
0 0,5 1,0 1,5
1
/
-у
*- —...
у:
а
'
«)
0 4 8
Содержание
углерода, am. %
б)
Рис.3.10. Кристаллическая структура мартенсита: а - кристаллическая
решетка; б - влияние содержания углерода на параметры решетки
«)
б)
Рис.3.11. Рельеф на поверхности шлифа, возникающий в результате
мартенситного превращения (а), и схема образования рельефа (б)
90
В процессе роста мартенситного кристалла вследствие разности удельных
объемов аустенита и мартенсита увеличиваются упругие напряжения в области
когерентного сопряжения, что в конечном счете приводит к пластической де-
формации и образованию межфазной границы с неупорядоченным расположе-
нием атомов. Сопряженность решеток нарушается и по достижении растущим
кристаллом границы зерна (субграницы) или других дефектов кристалла. При
нарушении когерентности решеток дальнейший упорядоченный переход ато-
мов из аустенита в мартенсит становится невозможным и рост кристалла мар-
тенсита прекращается. Дальнейшее превращение протекает в результате обра-
зования новых кристаллов мартенсита.
Чтобы мартенситное превращение развивалось, необходимо непрерывно
охлаждать сталь ниже температуры Мн. Если охлаждение прекратить, то мар-
тенситное превращение практически также остановится. Эта особенность мар-
тенситного превращения резко отличает его от диффузионного перлитного, ко-
торое полностью протекает в изотермических условиях при температуре ниже
точки А;. Зависимость количества образовавшегося мартенсита от температуры,
до которой охлажден образец, может быть выражена так называемой мартен-
ситной кривой (рис.3.12). Чем ниже температура, тем больше образуется мар-
тенсита. По достижении определенной для каждой стали температуры превра-
щение аустенита в мартенсит прекращается. Эту температуру окончания мар-
тенситного превращения обозначают Мк. Положение точек Мн и Мк не зависит
от скорости охлаждения и обусловлено химическим составом аустенита. Чем
больше в аустените углерода, тем ниже температуры точек Мн и Мк (рис.3.13).
Все легирующие элементы, растворенные в аустените, за исключением кобаль-
та и алюминия, понижают точки Мн и Мк-
Ми 20 Мк
Температура, "С
Рис.3.12. Мартенситная кривая: Лес-
количество остаточного аустенита при
завершении процесса; Ласт— количест
во остаточного аустенита при 20°С
0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5
Содержание углерода, %
Рис.3.13. Влияние содержания
углерода в стали на положение
мартенситных точек
91
а
б
В углеродистых сталях, содержащих свыше 0,4%С, присутствует оста-
точный аустенит. Его количество тем больше, чем выше содержание в аустени-
те углерода и легирующих элементов (за исключением Со и А1). В стали с 0,6-
0,8% С количество остаточного аустенита не превышает 10%, а в стали, содер-
жащей 1,3-1,5%С, оно достигает 30-50 %.
Мартенситное превращение очень чувствительно к напряжениям, а де-
формация аустенита может вызывать превращение даже при температурах вы-
ше Мц (мартенсит деформации).
Виды и свойства мартенсита. Различают два типа мартенсита - пла-
стинчатый и реечный (рис.3.14). Пластинчатый мартенсит образуется в высо-
коуглеродистых сталях.
На рис.3.15, а приведена
микроструктура такого
мартенсита. Его кристал-
лы представляют собой
широкие пластины. В пло-
скости шлифа они имеют
вид игл.
Наиболее часто кри-
сталлы мартенсита имеют
форму тонких реек, вытя-
нутых в одном направле-
нии и располагающихся в
виде пакетов. Такой высо-
котемпературный мартен-
сит называют массивным,
в отличие от игольчатого
(рис.3.15, б).
Размеры кристаллов
мартенсита определяются
величиной исходного зер-
на аустенита. Они тем
крупнее, чем больше зер-
но аустенита. Первые пла-
стины мартенсита имеют
протяженность, соответст-
вующую поперечному
размеру зерна аустенита.
Кристаллы, образующиеся
при более низких темпе-
ратурах, имеют меньшие
размеры (рис.3.14).
Если задержать на некоторое время охлаждение при температуре, лежа-
щей ниже точки Мн, например 20°С (рис.3.12), то аустенит, сохранившийся не-
Рис.3.14. Схема формирования пластинчатого
(игольчатого) (а) и реечного (массивного) (б)
мартенсита
Рис3.15. Микроструктура пластинчатого (а, х
300) и реечного (пакетного) (б, х400) мар-
тенсита
92
превращенным при охлаждении до этой температуры, становится более устой-
чивым. Стабилизация аустенита выражается в том, что при последующем по-
нижении температуры превращение аустенита в мартенсит возобновляется не
сразу (см. штрихпунктирную линию на рис.3.12), а происходит при более низ-
кой температуре и менее интенсивно. Количество образующегося в итоге мар-
тенсита оказывается меньшим, чем при непрерывном охлаждении. Явление
стабилизации иногда объясняют релаксацией напряжений, которые стимули-
руют мартенситное превращение.
Характерной особенностью мартенсита являются его высокая твердость и
прочность. Твердость мартенсита возрастает с увеличением в нем содержания
углерода; в стали с 0,6-0,7%С твердость мартенсита около 65ГОС(или~960НУ).
Предел прочности низкоуглеродистого мартенсита (0,025%С) составляет
-1000 МПа, а при 0,6-0,8 %С достигает 2600-2700 МПа. Однако с повышением
содержания углерода возрастает склонность мартенсита к хрупкому разрушению.
Мартенситное превращение происходит с увеличением объема. Это
является одной из основных причин возникновения при закалке больших
внутренних напряжений. Наибольшее увеличение объема наблюдается у
эвтектоидной стали, поэтому она наиболее чувствительна к закалочным
деформациям и трещинам.
Промежуточное (бейнитное) превращение. Бейнитное превращение
протекает в температурной области между перлитным и мартенситным пре-
вращениями (см. рис.3.6). В результате промежуточного превращения образу-
ется бейнит, представляющий собой структуру, состоящую из «-твердого рас-
твора, претерпевшего мартенситное превращение и несколько пересыщенного
углеродом, и частиц карбидов. Различают структуру верхнего и нижнего бей-
нита. Верхний бейнит, образующийся обычно в области температур 550-450°С,
имеет "перистый" вид (типа резаной соломы). Частицы карбидов выделяются
не в виде пластинок, как в перлите, а в виде изолированных узких частиц
(рис.3.16, а). Нижний бейнит образуется обычно при температурах ниже 450°С
и имеет игольчатое (пластинчатое) строение (рис.3.16, б). Карбидные частицы в
нижнем бейните располагаются в пластинках а-фазы (рис.3.16, в).
а б в
Рис.3.16. Микроструктуры верхнего (а, х 5000) и нижнего
(б, х 1500; в, х 10000) бейнита
93
Бейнитное (промежуточное) превращение переохлажденного аустенита
сочетает в себе элементы перлитного и мартенситного превращений: диффузи-
онное перераспределение углерода в аустените между продуктами его распада
и бездиффузионное (мартенситное) превращение.
Бейнитное превращение протекает при температурах, когда самодиффу-
зия железа и диффузия легирующих элементов практически невозможны, а
диффузия углерода еще достаточно высока. Это и предопределяет особенности
бейнитного превращения. В начале этого превращения происходит диффузион-
ное перераспределение углерода в аустените, что приводит к образованию в
нем объемов, обогащенных и обедненных углеродом. Участки аустенита с низ-
ким содержанием углерода, у которых точка Мн лежит в области температур
промежуточного превращения (рис.3.13), претерпевают /—* «-превращение по
мартенситному механизму. В объемах аустенита, сильно обогащенных углеро-
дом, могут выделяться частицы карбидов с обеднением этих участков аустени-
та углеродом и дальнейшим их превращением по мартенситному механизму.
Механизм образования а-фазы обусловливает ее мартенситную структуру и
появление характерного рельефа на поверхности микрошлифов, особенно за-
метного при образовании нижнего бейнита. Образующаяся при бейнитном пре-
вращении а-фаза (мартенсит) пересыщена углеродом тем сильнее, чем ниже
температура превращения. Если диффузионная подвижность атомов углерода
при данной температуре достаточная, из пересыщенного «-раствора могут вы-
деляться частицы карбидов, что характерно для нижнего бейнита (рис. 3.16, в).
Рассматриваемое промежуточное превращение, как и мартенситное, чаще
не идет до конца. Нераспавшийся при изотермической выдержке аустенит при
последующем охлаждении может претерпевать мартенситное превращение или
сохраняться (остаточный аустенит).
Сопоставление механических свойств бейнитных и перлитных структур
было приведено на рис.3.9. Образование верхнего бейнита (распад при 550-
450°С) снижает прочность, пластичность и ударную вязкость стали при поло-
жительных температурах по сравнению с пластинчатым трооститом. Твердость
при этом не изменяется или несколько снижается. Пониженные механические
свойства верхнего бейнита связаны С выделением сравнительно грубых карби-
дов по границам ферритных зерен.
При образовании нижнего бейнита наблюдается некоторое повышение
прочности, твердости и пластичности.
Нижний бейнит по сравнению с продуктами распада аустенита в перлит-
ной области (сорбит, троостит) имеет более высокую твердость и прочность
при повышенной пластичности. Высокие прочностные свойства нижнего бей-
нита объясняются наличием внедренных атомов углерода и большой плотно-
стью дислокаций в «-фазе, а также образованием включений дисперсных кар-
бидов, расположенных в кристаллах этой фазы.
Изотермическое превращение аустенита в доэвтектондных и заэв-
тектоидных сталях. В этих сталях в верхнем интервале температур сначала
94
выделяются избыточные фазы - феррит в доэвтектоидной стали и цементит в
заэвтектоидной стали (рис.3.17).
Время Время
а б
Рис.3.17. Схемы диаграмм изотермического превращения в доэвтектоидной (я)
и заэвтектоидной (б) сталях
Начало выделения избыточного феррита (цементита) на диаграмме изо-
термического распада отмечается дополнительной кривой. Количество выде-
ляющейся избыточной фазы уменьшается с понижением температуры, и при
некоторой степени переохлаждения распад начинается непосредственно с обра-
зования зародышей эвтектоида или, точнее, квазиэвтектоида, т.е. структуры эв-
тектоидного типа, но отличающейся иным составом, чем перлит (эвтектоид).
Так как с понижением температуры количество выделяющейся избыточной фа-
зы уменьшается, квазиэвтектоид (сорбит и троостит) в доэвтектоидных сталях
содержит углерода меньше 0,8%, а в заэвтектоидных сталях больше 0,8%.
Увеличение содержания углерода в аустените доэвтектоидных сталей не-
сколько повышает его устойчивость (кривые изотермической диаграммы сдви-
гаются вправо).
Изотермическое превращение аустсннта в легированных сталях.
У легированных сталей диаграмма изотермического превращения аусте-
нита имеет особенности, зависящие как от вида легирующих элементов, так и
от их содержания. Изотермическая диаграмма сталей с карбидообразующими
элементами имеет два минимума устойчивости переохлажденного аустенита,
соответствующих перлитному (диффузионному) и бейнитному (промежуточ-
ному) превращениям. Оба превращения разделены областью относительной ус-
тойчивости аустенита (рис.3.18).
Особенность промежуточного превращения в легированных сталях за-
ключается в том, что оно не идет до конца. Часть аустенита, обогащенного уг-
леродом, при изотермической выдержке не распадается и при дальнейшем по-
нижении температуры может лишь частично превратиться в мартенсит или да-
же не претерпевать этого превращения. Таким образом, в результате промежу-
точного превращения легированная сталь приобретает структуру, состоящую из
бейнита и некоторого количества мартенсита или остаточного аустенита.
95
.А,
А-*П
Время
б
Рис.3.18. Схематичное представление диаграмм изотермического превращения
аустенита в среднелегированных (а) и высоколегированных (б) сталях
Все легирующие элементы (за исключением кобальта) увеличивают ус-
тойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного и бейнитного
превращений, сдвигая на диаграмме изотермического превращения кривые на-
чала и конца распада вправо, т. е. в сторону большего времени выдержки. За-
медление распада аустенита в перлитной зоне объясняется малой скоростью
диффузии легирующих элементов в аустените и замедлением диффузии угле-
рода под влиянием карбидообразующих элементов. Легирующие элементы
уменьшают также скорость полиморфного превращения у—* а, которое лежит
в основе распада аустенита.
В области температур промежуточного превращения переохлажденного
аустенита возможна лишь диффузия углерода, а диффузия легирующих эле-
ментов исключается, поэтому при распаде аустенита образуются а-раствор и
легированный цементит, имеющие то же содержание легирующих элементов,
что и исходный аустенит. Особенно повышается устойчивость переохлажден-
ного аустенита при одновременном введении в сталь нескольких легирующих
элементов, например хрома и никеля, хрома и молибдена и т.д., а также при вы-
сокой степени легирования карбидообразующими элементами (рис.3.18, б).
Превращение аустенита при непрерывном охлаждении. Схематиче-
ская диаграмма, показывающая влияние скорости охлаждения на температуру
распада аустенита и на образующиеся структурные составляющие после охла-
ждения углеродистой эвтектоидной стали, приведены на рис.3.19. Особенность
превращения в данном случае состоит в том, что оно протекает в интервале
температур и приводит к образованию неоднородной структуры.
Чем больше скорость охлаждения и ниже температурный интервал распа-
да аустенита, тем дисперснее образующаяся структура. При небольшой скоро-
сти охлаждения V, образуется перлит, при большей Kj— в основном сорбит, при
еще большей Уз - сорбит и троостит. Бейнит при непрерывном охлаждении уг-
леродистой стали обычно не образуется или образуется частично в смеси с дру-
гими продуктами распада (например, при скорости У4)-
96
800
700
(j 600
| 500
} 400
К 200
100
0
-100
300
^^Х^Г'"^"!!^-— - ~=/"ir
-*.K,-
s=.
X\ \ \\Г^Vi
\ VAN. к»
ВБ„
л
НБ
~- v
.4'=727°c
фл
ъс
±т
Мн
Mv
Время
3.19. Наложение линий непрерывного охлаждения со скоростями V, -
Уб на диаграмму изотермического распада аустенита эвтектоидной
углеродистой стали (V, <У2 <Уз— )
При высоких скоростях охлаждения (кривая V4) часть аустенита переох-
лаждается до точки Мн и превращается в мартенсит. Структура в этом случае
состоит из мартенсита и трооститной (или трооститно-бейнитной) зоны в виде
темной сетки по границам
мартенситных участков, ко-
торые на фотографии оста-
лись светлыми (рис.3.20, а).
При определенной вы-
сокой скорости охлаждения
диффузионный распад ау-
стенита становится вообще
невозможным, и тогда ау-
стенит переохлаждается до
точки Мн и при дальнейшем
охлаждении превращается в
мартенсит (см. рис3.19, ско-
рость Vj). Превращение ау-
стенита в мартенсит не идет
до конца, поэтому в закален-
ной стали наряду с мартен-
ситом присутствует и некоторое количество остаточного аустенита (рис.3.20,
б). Минимальную скорость охлаждения, при которой весь аустенит переохлаж-
б
Рис.3.20. Микроструктура стали после охла-
ждения из области аустенита с разными ско-
ростями: а - со скоростью V^V^; б - со ско-
ростью VfV^
97
дается до точки М„ иможет претерпевать только мартенситное превращение
называют критической скоростью охлаждения VKp."■
--'■■ Критическая скорость охлаждения зависит от химического состава стали
Чем больше устойчивость аустенита, тем меньше критическая скорость. Угле-
?nnor7f иТЭЛИ ИМеЮТ высокУю критическую скорость охлаждения (800-
2UU ис). Наименьшей критической скоростью обладает эвтектоидная сталь
Чем крупнее зерно аустенита и чем больше его однородность, тем выше устой-
чивость переохлажденного аустенита и тем меньше критическая скорость ох-
лаждения. ■ ■..
Скорость охлаждения У6 больше критической; она гарантирует получе-
ние структуры без трооститных (трооститно-бейнитных) участков, т.е структу-
ры, состоящей только из мартенсита и остаточного аустенита. Эта структура
характерна для закаленной эвтектоидной стали, и поэтому для нормальной за-
калки необходима скорость охлаждения выше критической.
3.4. ПРЕВРАЩЕНИЯ В ЗАКАЛЕННОЙ СТАЛИ ПРИ ОТПУСКЕ
Термическую обработку, заключающуюся в нагреве закаленной стали до
температуры ниже критической точки А,, выдержке при этой температуре и ох-
лаждении, называют отпуском. -
Поскольку в структуре закаленной стали присутствуют неравновесные
фазы (мартенсит и остаточный аустенит), переход в более устойчивое состоя-
ние должен сопровождаться распадом этих фаз с образованием структуры со-
стоящей из феррита и цементита. Распад неравновесных фаз идет по диффу-
зионному механизму, и поэтому скорость процесса в основном обусловлена
температурой нагрева.
Распад мартенсита (первое превращение при отпуске). На первой ста-
дии превращения, протекающего при температуре ниже 200°С, в кристаллах
мартенсита образуются карбиды. Участки мартенсита, непосредственно окру-
жающие выделившиеся карбиды, обедняются углеродом до 0,25-0,35%, тогда
как более удаленные участки сохраняют исходную концентрацию углерода, по-
лученную после закалки. Таким образом, в структуре стали одновременно при-
сутствуют два вида мартенсита: с более высокой (исходной) и пониженной
концентрацией углерода. Этот этап распада мартенсита называют двухфазным.
Вьщеляющийся во время первого превращения карбид не является це-
ментитом. Обычно его называют е-карбидом. Он имеет гексагональную плот-
ноупакованную решетку и соответствует химическому составу Fe^C. Частицы
в-карбида имеют форму тонких пластинок толщиной несколько атомных слоев
мартен°И НеСКОЛЬК° десятков нанометров. Они когерентно связаны с решеткой
350°гВт0раЯ fmadu* первого превращения протекает при температуре 200-
С. На этой стадии продолжают выделяться е-карбиды из мартенсита, обед-
си, еГ° углеРодом- в результате концентрация углерода в кристаллах мартен-
сита оказывается близкой к однородной.
98
Структуру, образующуюся в результате распада мартенсита при темпера-
турах ниже 350°С, называют отпущенным мартенситом, который, представ-
ляет собой смесь мартенсита, отличающегося от мартенсита закалки мень-
шей концентрацией в нем углерода, и включений дисперсных кристаллов е-
карбида, когерентно связанных с решеткой мартенсита. Чем выше темпера-
тура отпуска, тем меньше содержание углерода в твердом растворе (мартенси-
те), С увеличением длительности ншрева при этих температурах сначала на-
блюдается интенсивное выделение углерода, а затем процесс замедляется и при
больших выдержках практически прекращается. Обеднение раствора углеродом
приводит к тому, что его состав приближается к равновесному. Однако решетка
а-раствора остается упругоискаженной и отличается повышенной плотностью
дефектов.
В легированных сталях при температурах до 200°С не происходит диффу-
зионного перераспределения легирующих элементов, и поэтому выделяющиеся
частицы карбидов имеют такое же среднее содержание легирующих элементов,
как и в мартенсите. При более высоких температурах легирующие элементы
(Cr, Mo, W, V, Si, Ti) сильно тормозят процессы распада мартенсита, образова-
ния и роста частиц карбидов. Это имеет большое практическое значение. Если в
углеродистой и низколегированной стали состояние отпущенного мартенсита,
обладающего высокой твердостью, сохраняется лишь до 250-350°С, то в высо-
колегированной стали такое состояние может сохраняться до 450-550°С.
Превращение остаточного аустенита (второе превращение при от-
пуске). Если в структуре закаленной стали содержится остаточный аустенит
(например, в высокоуглеродистых и многих легированных среднеуглеродистых
сталях), то при температурах 200-300°С происходит его распад. Механизм рас-
пада остаточного аустенита, по-видимому, близок к механизму бейнитного
превращения переохлажденного аустенита. В результате превращения остаточ-
ного аустенита образуются те же фазы, что и при отпуске мартенсита, хотя их
структурное состояние несколько отличается.
Снятие внутренних напряжений и карбидное превращение (третье
превращение при отпуске). При температуре 350-450°С полностью заверша-
ется процесс выделения углерода из мартенсита, происходит нарушение коге-
рентности и обособление решеток феррита и карбида, связанное с одновремен-
ным протеканием карбидного превращения, т.е. превращения е-карбида в це-
ментит. При этом изменяются размеры и форма карбидных частиц: происходит
их некоторое укрупнение (до размера -3-10"5 мм) и искажение пластинчатой
формы; происходит также полигонизация а-фазы и релаксация макро- и мик-
ронапряжений, возникающих при закалке. Образующуюся после отпуска при
350-450°С структуру, представляющую собой смесь феррита и дисперсных
включений цементита, обычно называют трооститом отпуска.
Коагуляция н сфероидизацня карбидов (четвертое превращение при
отпуске). Повышение температуры отпуска до 500°С и выше в углеродистых и
во многих низко- и среднелегированных сталях не вызывает изменения фазово-
го состава. Однако с повышением температуры изменяется микроструктура,
99
что связано с протеканием процессов коагуляции и сфероидизации карбидов.
Коагуляция карбидов (до размера ~10"4 мм) в процессе отпуска происходит
вследствие растворения мелких и роста более крупных частиц карбидов. При
этом происходит также изменение формы карбидных частиц, обусловленное их
сфероидизацией. В результате формируется структура, представляющая собой
смесь феррита и мелких округлых зерен цементита. Такую структуру называют
зернистым сорбитом, или сорбитом отпуска.
При более высоких температурах, близких к точке А/, образуется еще бо-
лее грубая ферритно-цементитная структура (диаметр карбидных частиц ~3-10"4
мм), называемая зернистым перлитом.
Образование зернистых структур, имеющих композиционный характер,
улучшает многие свойства стали. При одинаковых значениях твердости, преде-
ла прочности и относительного удлинения сталь с зернистой структурой имеет
более высокие значения предела текучести, относительного сужения и ударной
вязкости.
Легирующие карбидообразующие элементы Mo, W, V, Сг замедляют
процесс коагуляции, поэтому после отпуска легированная сталь сохраняет вы-
сокую дисперсность карбидных частиц и повышенные прочностные свойства.
Обогащение цементита легирующими элементами до предела насыщения при-
водит к его превращению в специальные карбиды (МгзСб, М7С3 и др.), которые
образуются в тех местах, где ранее были частицы цементита (превращение "на
месте"). Карбиды типа МС и М2С образуются путем зарождения карбида в
твердом растворе с последующим выделением. Это часто приводит к дисперси-
онному упрочнению твердого раствора.
Влияние отпуска на механические свойства стали. Распад мартенсита
при отпуске влияет на все свойства стали. При низких температурах отпуска
(до 200-250°С) уменьшается склонность стали к хрупкому разрушению. При
низкотемпературном отпуске твердость закаленной и отпущенной стали мало
зависит от содержания в ней легирующих элементов и определяется в основном
содержанием углерода в мартенсите. В связи с этим высокоуглеродистые стали,
имеющие высокую твердость после закалки, сохраняют ее и после низкотемпе-
ратурного отпуска. Прочность и вязкость стали при низких температурах от-
пуска несколько возрастают вследствие уменьшения макро- и микронапря-
жений и изменения структурного состояния. Повышение температуры отпуска
до 500-600°С заметно снижает твердость, временное сопротивление, предел те-
кучести и повышает относительное удлинение, сужение и трещиностойкость.
Все легированные стали, особенно содержащие карбидообразующие эле-
менты, после отпуска при одинаковых температурах обладают более высокой
твердостью, чем углеродистые, что связано с замедлением процесса распада
мартенсита, образования и коагуляции карбидов. В сталях, содержащих боль-
шое количество таких элементов, как хром, вольфрам или молибден, в резуль-
тате отпуска при высоких температурах наблюдается даже повышение твердо-
сти, связанное с выделением в мартенсите частиц специальных карбидов, по-
вышающих сопротивление пластической деформации.
100
Хрупкость при отпуске сталей. При отпуске (-300 и 500-550°С) некото-
рых (чаще легированных) сталей снижается ударная вязкость. Такое снижение
вязкости получило название отпускной хрупкости.
В легированной стали могут возникнуть два вида отпускной хрупкости
(рис.3.21). Первый вид отпускной хрупкости, называемой необратимой отпу-
скной хрупкостью, или хрупкостью I рода, наблюдается в результате отпуска
при ~300°С. Этот вид хрупкости присущ в той или другой мере всем сталям,
независимо от их состава и скорости охлаждения после отпуска. Отличитель-
ной особенностью хрупкости I рода является ее необратимый характер. Хруп-
кость этого вида устраняется нагревом до температуры 400°С и выше. После-
дующий нагрев при 250-400°С не снижает ударную вязкость.
Сталь в состоянии необра-
тимой отпускной хрупкости име-
ет блестящий межкристаллитный
излом. Хрупкое состояние обу-
словлено возникновением объем-
но-напряженного состояния, по-
лучающегося при неоднородных
процессах первого и второго пре-
вращений при отпуске. Отпуск в
области температур наиболее ин-
тенсивного развития хрупкости I
рода не проводят.
Второй вид отпускной
хрупкости, называемой обрати-
мой отпускной хрупкостью или
хрупкостью II рода, наблюдается
в некоторых легированных ста-
лях, если они медленно охлажда-
ются (в печи или даже на воздухе) после отпуска при 500-550°С. При развитии
хрупкости II рода происходит сильное уменьшение ударной вязкости и по-
вышение порога хладноломкости. Этот вид хрупкости не возникает, если охла-
ждение с температуры отпуска проводят быстро, например в воде. При быст-
ром охлаждении с температур отпуска 500-600°С обеспечивается волокнистый
излом, характерный для вязкого состояния. После медленного охлаждения по-
лучается хрупкий кристаллический излом. Существенным признаком хрупко-
сти II рода является ее обратимость. Хрупкость, возникшая в результате мед-
ленного охлаждения с 500-550°С, может быть устранена повторным отпуском
при 600-650°С с последующим быстрым охлаждением. Она может быть вызва-
на вновь дополнительным отпуском определенной длительности при 500-
550°С.
Хрупкость II рода наиболее часто наблюдается в сталях, содержащих по-
вышенное количество фосфора, марганца, кремния, хрома или же при одновре-
менном введении в сталь хрома и никеля или марганца. Введение в сталь мо-
200 300 400 500 600 700
Температура, "С
Рис.3.21. Влияние отпуска на ударную
вязкость легированной стали: 1 - быстрое
охлаждение; 2 - медленное охлаждение
101
либдена или вольфрама в небольшом количестве (0,2-0,4% Мо или 0,5^0,7% W)
значительно уменьшает склонность ее к отпускной хрупкости.
Появление хрупкости II рода наиболее вероятно связано с диффузией
растворенных атомов некоторых элементов к границе зерна и насыщением по-
верхностных слоев зерна этими элементами без выделения избыточных мелко-
дисперсных фаз (карбидов, фосфидов и т. д.). Особенно значительное влияние
оказывает обогащение пограничных зон фосфором. Легирующие элементы
хром, марганец, никель повышают содержание фосфора в приграничных объе-
мах, а молибден и вольфрам наоборот снижают, уменьшая склонность к от-
пускной хрупкости.
Изложенные в настоящей главе основы теории термической и химико-
термической обработки материалов и сплавов позволяют научно обоснованно
подойти к выбору конкретного метода обработки деталей машин в зависимости
от условий их эксплуатации и требуемых физико-механических свойств.
102
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 3
1 Что такое термическая обработка? Для чего она проводится? Какие ви-
ды термической обработки вы знаете?
2 Что собой представляют критические точки сталей? Чем отличаются
равновесные и неравновесные критические точки?
3 Приведите обозначения и характеристики всех критических точек ста-
ли.
4 Перечислите этапы превращения ферритно-карбидной структуры в ау-
стенит при нагреве стали.
5 Чем отличаются наследственно крупнозернистые и наследственно мел-
козернистые стали? Чем обусловлена различная наследственность сталей?
6 Как получить в стали мелкое зерно аустенита?
7 Что такое перегрев и пережог стали? Можно ли устранить эти дефекты?
8 Что такое балл зерна и как определяют зернистость структуры?
9 Как образуется перлитная структура при охлаждении аустенита?
10. Чем отличаются по структуре и свойствам перлит, сорбит и троостит?
Как получить эти структуры?
11. Чем отличаются механизмы перлитного, промежуточного (бейнитно-
го) и мартенситного превращений?
12. Приведите диаграмму изотермического распада аустенита в эвтекто-
идной стали и укажите все структурные области на этой диаграмме. Чем отли-
чаются диаграммы для доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей?
13. Как влияют легирующие элементы на изотермический распад аусте-
нита?
14. Что собой представляет критическая скорость закалки и какие факто-
ры влияют на нее?
15. Что такое мартенсит? Каковы его свойства? Виды мартенсита.
16. Почему в структуре многих закаленных сталей присутствует остаточ-
ный аустенит? Какие факторы влияют на количество остаточного аустенита?
Как можно уменьшить его количество?
17. Каковы отличительные особенности структуры и свойств бейнита?
18. Какие превращения протекают при отпуске закаленной стали? Как
влияют легирующие элементы на эти превращения?
19. Какие структуры образуются в стали При разных температурах отпус-
ка? Какими свойствами обладает сталь, имеющая эти структуры?
20. Как влияет температура отпуска на ударную вязкость стали?
21. Что собой представляет хрупкость I рода, какие причины ее вызывают
и как она устраняется?
22. Каковы особенности обратимой отпускной хрупкости? В каких сталях
она проявляется особенно сильно? Какими способами можно устранить или ос-
лабить эту хрупкость?
103
ГЛАВА 4. ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
СТАЛИ
В машиностроении термической обработке подвергается до 40% потреб-
ляемой стали. Номенклатура упрочняемых деталей очень многообразна: от
мелких деталей приборов до крупных элементов металлургического, трактор-
ного, энергетического оборудования.
Основными видами термической обработки заготовок и готовых изделий
являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.
4.1. ОТЖИГ I РОДА (ОСНОВАННЫЙ НЕ НА ФАЗОВЫХ
ПРЕВРАЩЕНИЯХ)
Отжиг I рода может включать процессы гомогенизации, рекристаллиза-
ции, снижения твердости и снятия остаточных напряжений. Характерная осо-
бенность этого вида отжига состоит в том, что указанные процессы проис-
ходят независимо от того, протекают ли в сплавах при этой обработке фазо-
вые превращения или нет. Поэтому отжиг I рода можно проводить при темпе-
ратурах выше или ниже температур фазовых превращений (критических точек
А, а А3).
Этот вид обработки в зависимости от температурных условий его выпол-
нения устраняет химическую или физическую неоднородность, созданную
предшествующими обработками.
Гомогенизация (диффузионный отжиг). Диффузионному отжигу под-
вергают слитки легированной стали с целью уменьшения дендритной (внутри-
кристаллической) ликвации, которая понижает пластичность и вязкость леги-
рованной стали, повышает ее склонность к хрупкому излому, к анизотропии
свойств и возникновению таких дефектов, как шиферность (слоистый излом) и
флокены (тонкие внутренние трещины, наблюдаемые в изломе в виде белых
овальных пятен).
При диффузионном отжиге слитки нагревают до высоких температур
(1100-1200°С), так как только в этом случае более полно протекают диффузи-
онные процессы, необходимые для выравнивания в отдельных объемах состава
стали. Во избежание образования большого количества окалины, уменьшения
расхода топлива и увеличения производительности печей выдержка должна
быть минимальной (обычно 15-20 ч). После выдержки садку охлаждают до 800-
820°С в печи, а далее на воздухе.
В результате диффузионного отжига получается крупное зерно. Этот не-
достаток устраняется при последующей обработке слитка давлением или по-
следующей термической обработке.
Рекристаллизационный отжиг. При этом отжиге холоднодеформиро-
"анную сталь нагревают выше температуры начала рекристаллизации и прово-
Дт выдержку с последующим охлаждением. Обычно такой отжиг применяют
Как промежуточную операцию для снятия наклепа между операциями холодно-
104
го деформирования. Дня углеродистых сталей с 0,08-0,2%С, чаще подвергае-
мых холодной деформации (прокатке, штамповке, волочению), температура
отжига находится в интервале 660-700°С. Отжиг калиброванных прутков (хо-
лодная протяжка) из высокоуглеродистой легированной стали (хромистой,
хромокремнистой и др.) проводят при 680-740°С в течение 0,5-1,5 ч.
Кроме рекристаллизации феррита, при отжиге стали могут протекать коа-
гуляция и сфероидизация цементита, при этом повышается пластичность стали,
что облегчает последующую обработку ее давлением.
Отжиг для уменьшения твердости. После горячей механической обра-
ботки стали обычно имеют мелкое зерно и удовлетворительную микрострукту-
ру, но часто из-за ускоренного охлаждения легированные стали получают по-
вышенную твердость. Для снижения твердости на металлургических заводах
сортовой прокат подвергают отжигу при 650-700°С в течение 3-15 ч. При на-
греве до указанных температур происходит распад неравновесных структур
(мартенсита, бейнита), коагуляция и сфероидизация карбидов и в итоге снижа-
ется твердость. Углеродистые стали подвергают такому отжигу тогда, когда
они предназначаются для обработки резанием, холодной высадки или волоче-
ния. Для высоколегированных сталей, у которых практически не отмечается
перлитного превращения, высокий отпуск является единственной термической
обработкой, позволяющей снизить их твердость.
Отжиг для снятия остаточных напряжений. Этот вид отжига приме-
няют для отливок, сварных изделий, деталей после обработки резанием и др.
Остаточные напряжения могут вызвать изменение размеров, коробление и по-
водку изделия при его обработке (например, резанием), эксплуатации или хра-
нении.
Отжиг стальных изделий для снятия напряжений проводят при темпера-
турах 160-700°С с последующим медленным охлаждением. Так, многие детали
прецизионных станков (ходовые винты, высоконапряженные зубчатые колеса,
червяки и др.) нередко проходят отжиг при 570-600°С в течение 2-3 ч после ос-
новной механической обработки и при 1бО-180°С 2-2,5 ч после шлифования.
Отжиг для снятия сварных напряжений проводится при 650-70О°С.
4.2. ОТЖИГ П РОДА (С ФАЗОВЫМИ ПРЕВРАЩЕНИЯМИ)
Отжиг II рода заключается в нагреве стали до температур выше кри-
тических точек Aci или АСз, выдержке и последующем медленном охлаждении.
В процессе нагрева и охлаждения при этом протекают фазовые превращения
(в частности, у«->а-превращение), определяющие структуру и свойства стали.
После отжига углеродистой стали получаются структуры, указанные на
диаграмме состояния железо - цементит. Отжиг измельчает зерно, снимает
внутренние напряжения, уменьшает структурную неоднородность, повышая
тем самым пластичность и вязкость по сравнению со свойствами, полученными
после литья, ковки и прокатки. Понижая прочность и твердость, отжиг облегча-
ет обработку резанием средне- и высокоуглеродистой стали. В большинстве
105
случаев отжиг является подготовительной термической обработкой; отжигу
подвергают отливки, поковки, сортовой и фасонный прокат, грубы, горячеката-
ные листы и т.д. В некоторых случаях (например, для многих крупных отливок)
отжиг является окончательной термической обработкой.
Различают следующие виды отжига: полный, изотермический и неполный.
Полный отжиг. Заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30-
50°С выше критической точки Асз, выдержке при этой температуре для пол-
ного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и после-
дующем медленном охлаждении. Полному отжигу подвергают сортовой прокат
из стали с 0,3-0,4%С, поковки и фасонные отливки. При фазовых превращениях
в процессах нагревания и охлаждения структура стали измельчается, обеспечи-
вая высокую вязкость, пластичность и возможность достижения высоких
свойств после окончательной термической обработки. Время нагрева и про-
должительность выдержки зависят от типа нагревательной печи, способа ук-
ладки изделий в печь, от массы садки, типа полуфабриката.
Для защиты металла от окисления и обезуглероживания на металлургиче-
ских заводах все шире применяются защитные (контролируемые) атмосферы.
Защитная атмосфера составляется так, чтобы при химическом равновесии в пе-
чи обезуглероживающее и окислительное воздействие 02, С02 и Н20 на сталь
уравновешивалось противоположным воздействием СО и CrLt. При этом атмо-
сфера выполняет защитные функции. Часто применяют экзотермическую атмо-
сферу, получаемую путем почти полного сжигания природного газа.
Скорость охлаждения при отжиге зависит от устойчивости переохлаж-
денного аустенита, а следовательно, от состава стали. Легированные стали, об-
ладающие высокой устойчивостью переохлажденного аустенита, охлаждаются
значительно медленнее (чаще со скоростью 40-60°С/ч), чем углеродистые, ско-
рость охлаждения которых составляет 100-150°С/ч.
Неполный отжиг. Отличается от полного тем, что сталь нагревают до
более низкой температуры (немного выше точки Аа). При этом происходит
лишь частичная перекристаллизация стали (вследствие перехода перлита в ау-
стенит).
Неполный отжиг доэвтектоидных сталей применяют для улучшения об-
рабатываемости резанием, а также для повышения пластичности тонких листов
и прутков из низко- и среднеуглеродистой стали перед холодной штамповкой
или волочением. Для конструкционных легированных сталей он проводится
при 750-770°С с последующим охлаждением со скоростью 30-60°С/ч до 600°С,
далее на воздухе.
Неполный отжиг широко применяют для заэвтектоидных углеродистых и
легированных сталей. Он состоит из нагревания до температуры немного выше
точки Ас, (обычно на 10-30°С), что вызывает практически полную перекри-
сталлизацию и позволяет получить зернистую (сфероидальную) форму перлита
вместо пластинчатой. Такой отжиг называют сфероидизацией. Если избыточ-
ный цементит находился в виде сетки, то перед этим отжигом предварительно
нужно провести термическую обработку с нагревом до температуры выше точ-
106
ки Аст для растворения сетки вторичного цементита с последующим рхлаждег
нием на воздухе или в воздушной струе для предупреждения выделения этого
цементита по границам аустенита (т.е. нормализацию).
Стали, близкие к эвтектоидному составу, имеют узкий интервал темпера-
тур нагрева (750-760°С) для отжига на зернистый цементит, для заэвтектоид-
ных углеродистых сталей интервал расширяется до 770-790°С. Легированные
заэвтектоидные стали можно нагревать до 770-820°С.
Охлаждение при сфероидизации медленное до 650-600°С. Оно должно
обеспечить сфероидизацию и коагуляцию выделяющихся карбидных включе-
ний. Последующее охлаждение проводят на воздухе.
Сталь с зернистым перлитом имеет более низкую твердость и прочность
при более высокой пластичности, ударной вязкости и хорошей обрабатываемо-
сти резанием.
Изотермический отжиг. Состоит в нагреве стали выше критических
точек, небольшой выдержке, в сравнительно быстром охлаждении до темпе-
ратуры, лежащей ниже точки А/ на 50-10(fC, изотермической выдержке при
этой температуре в течение 3-6 ч, необходимой для полного распада аусте-
нита, и охлаждении на воздухе (рис.4.1).
Время, ч. Время, ч.
Рис.4.1. Схема изотермического отжига стали:
а-режим отжига, б - режим охлаждения
Преимущества изотермического отжига: 1) сокращение длительности
процесса, особенно для легированных сталей, 2) получение более однородной
структуры, так как при изотермической выдержке температура по сечению из-
делия выравнивается и превращение по всему объему стали происходит при
одинаковой степени переохлаждения.
Изотермическому отжигу чаще подвергают поковки и сортовой прокат
небольших размеров из легированной цементуемой стали.
Разновидностью изотермического отжига является патентирование, приме-
няемое для пружинной и канатной проволоки из стали, содержащей 0,65-
107
0,9%С, перед холодным волочением. При патентировании проволоку подвер-
гают высокотемпературной аустенитизации для получения однородного аусте-
нита, а затем пропускают через расплавленную соль с температурой 460-550°С.
В результате изотермического распада аустенита образуется тонкопластинча-
тый троостит или сорбит. Такая структура позволяет при холодной протяжке
давать большие обжатия (более 75 %) без обрывов и после заключительного
холодного волочения получать высокую прочность (<7В = 2000-2250 МПа).
4.3. НОРМАЛИЗАЦИЯ (НОРМАЛИЗАЦИОННЫЙ ОТЖИГ)
Нормализация заключается в нагреве стали на 40-50°С выше критиче-
ских точек (Асз для доэвтектоидной стали и АСст для заэвтектоидной стали),
непродолжительной выдержке для прогрева садки и завершения фазовых пре-
вращений и охлаждении на воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую
перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, получен-
ную при литье или горячей обработке давлением. Нормализацию широко при-
меняют для улучшения свойств стальных отливок вместо закалки и отпуска.
Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при
более низких температурах, что повышает дисперсность структуры и увеличи-
вает количество пластинчатой составляющей (перлита, сорбита или троостита).
Это повышает прочность и твердость нормализованной стали по сравнению с
отожженной.
Нормализация горячекатаной стали повышает ее сопротивление хрупко-
му разрушению, что характеризуется снижением порога хладноломкости и по-
вышением работы развития трещины.
Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали. Для
низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига При об-
работке резанием нормализация обеспечивает большую производительность и
получение более чистой поверхности. Для отливок из среднеуглеродистой ста-
ли нормализацию с высоким отпуском применяют вместо закалки и высокого
отпуска. В этом случае механические свойства несколько ниже, но детали под-
вергаются меньшей деформации по сравнению с закалкой, и вероятность появ-
ления трещин практически исключается.
Нормализацию с последующим высоким отпуском (600-650сС) часто ис-
пользуют для исправления структуры легированных сталей вместо полного
отжига.
4.4. ЗАКАЛКА СТАЛИ
Закалка заключается в нагреве стали до температуры выше критиче-
ской (А3 для доэвтектоидной и А, для заэвтектоидной сталей) или темпера-
туры растворения избыточных фаз, выдержке и последующем охлаждении со
скоростью, превышающей критическую. Закалка не является окончательной
108
операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения,
вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после
закалки обязательно подвергают отпуску.
Инструментальную сталь в основном подвергают закалке и отпуску для
повышения твердости, прочности и износостойкости, конструкционную сталь -
для повышения прочности, твердости, получения достаточно высокой пластич-
ности и вязкости, а для ряда деталей также высокой износостойкости.
Выбор температуры нагрева под закалку. Доэвтектоидные стали на-
гревают до температуры на 30-50°С выше точки АСз, обеспечивая получение
чисто аустенитной структуры. Закалку от температур межкритического интер-
вала АС/ - АСз применяют только для листовой низколегированной низкоугле-
родистой стали с целью получения структуры феррита с небольшими участка-
ми мартенсита (20-30%), обеспечивающей хорошие механические свойства и
деформируемость.
Заэвтектоидные стали под закалку нагревают несколько выше (обычно на
15-20°С) критической точки Аа, обеспечивая образование аустенита при со-
хранении некоторого количества цементита. После охлаждения структура стали
состоит из мартенсита и мелких изолированных частиц карбидов, обладающих
высокой твердостью, что повышает общую твердость закаленной стали.
Для многих высоколегированных сталей температура нагрева под закалку
значительно превышает критические точки (на 150-250°С), что необходимо для
перевода в твердый раствор специальных карбидов и получения требуемой сте-
пени легирования аустенита.
Продолжительность нагрева. Обеспечивает прогрев изделия по сече-
нию и завершение фазовых превращений, но не должна быть слишком боль-
шой, чтобы не вызвать роста зерна и обезуглероживания поверхностных слоев
стали.
Общая продолжительность нагрева составляет
где тс„ - продолжительность сквозного прогрева до заданной температуры, за-
висящая от формы и размеров изделий, их расположения, типа печи, состава
стали и т.д., Ти_в - продолжительность изотермической выдержки при данной
температуре, определяемая составом и исходным состоянием стали.
На 1 мм сечения изделия из доэвтектоидных сталей продолжительность
нагрева Тс„ принимают в электропечах 45-75 с, а в соляной ванне - 15-20 с.
Продолжительность изотермической выдержки Т^в при заданной температуре
для деталей машин часто принимают равной 15-25% от продолжительности
сквозного нагрева.
Выдержка в электрической печи при температуре закалки для инструмен-
та из углеродистой стали (0,7-1,3%С) рекомендуется 50-80 с на 1 мм наимень-
шего сечения, а легированной стали 70-90 с, при нагреве в соляной ванне соот-
ветственно 20-25 с для углеродистой стали и 25-30 с для легированной.
109
Фасонный инструмент и детали машин сложных форм при нагреве под
закалку для уменьшения деформации рекомендуется предварительно подогре-
вать в печи при 400-600°С.
Использование защитных сред. Для предохранения изделий от окисле-
ния и обезуглероживания нередко в рабочее пространство печи вводят защит-
ную газовую среду (контролируемые атмосферы). В качестве таких сред при-
меняют:
1) эндотермическую атмосферу, получаемую частичным сжиганием ме-
тана или природного газа и содержащую СО, Н2, СН4 и N2;
2) экзотермическую, получаемую частичным сжиганием природного газа
и содержащую СО, Н2, СН4 и N2, а также до 6 % С02 и 2,3 % Н20;
3) экзотермическую, получаемую почти полным сжиганием природного
газа, содержащую СО, Н2 и N2, а также до 10 % С02 и 2,3 % Н20; эту атмосферу
применяют при отжиге стали.
Охлаждающие среды для закалки. Охлаждение при закалке должно
обеспечить получение структуры мартенсита в пределах заданного сечения из-
делия и не должно вызывать закалочных дефектов: трещин, деформаций, ко-
робления и высоких растягивающих остаточных напряжений в поверхностных
слоях. Наиболее желательна высокая скорость охлаждения (выше критической)
в интервале температур А/ - Ми и замедленное охлаждение в интервале темпе-
ратур мартенситного превращения.
Варьирование скоростью охлаждения обеспечивается обычно использо-
ванием различных охлаждающих сред, которые могут быть разделены в зави-
симости от состава и свойств охлаждающего вещества на несколько групп: вода
и водные растворы, масла, расплавы солей и щелочей, водовоздушные смеси,
расплавленные металлы и сплавы, синтетические закалочные среды, быстро-
движущиеся потоки охлаждающего вещества. Сопоставление скоростей охлаж-
дения стали в различных средах приведено в табл.4.1.
Вода и водные растворы отличаются высокой интенсивностью охлажде-
ния как в области повышенных температур (600-500°С), так и при температурах
мартенситного превращения. Последнее неблагоприятно сказывается на струк-
туре и является причиной деформации и трещинообразования вследствие появ-
ления больших внутренних напряжений, особенно в крупных изделиях. Раз-
личные добавки могут увеличивать или уменьшать охлаждающую способность
водных растворов.
Вода и водные растворы являются кипящими жидкостями. При закалке в
этих средах различают три периода:
1) пленочное кипение (с образованием "паровой рубашки"), при этом
скорость охлаждения сравнительно невелика;
2) пузырьковое кипение (при разрушении паровой рубашки) с быстрым
охлаждением;
3) конвективный теплообмен с наименьшей скоростью охлаждения.
При охлаждении в воде комнатной температуры (~20°С) период пузырь-
кового кипения длится от 400 до 100°С; при использовании горячей воды
по
(~80°С) он сужается до 250-100°С^ при использовании 10%-ного раствора NaCI
в воде (20°С) этот период значительно расширяется (до 650-100°СХ что обеспе-
чивает резкое повышение интенсивности охлаждения по сравнению с обычной
водой (примерно в 2 раза).
Таблица 4.1
Охлаждающая способность различных сред
Охлаждающая
среда
Дистиллиро-
ванная вода
Вода при
темпера-
туре, °С
18
28
50
74
10-ный водный
раствор NaOH
Раствор NaCI
при 18°С
Раствор соды
при 18°С
Раствор H2S04
при 18°С
Скорость охлажде-
ния, °С/с, при темпе-
ратуре, °С
650-550
250
600
500
100
30
1200
1100
800
750
350-200
200
270
270
270
200
300
300
270
300
Охлаждающая
среда
5%-ный раствор
марганцовокислого
калия
Глицерин
Эмульсия масла в
воде
Мыльная вода
Минеральное масло
Трансформаторное
масло
Сплав 75% Sn и
25% Cd, 175°C
Воздух спокойный
Воздух под давле-
нием
Скорость охлажде-
ния, °С/с, при тем-
пературе, °С
650-550
450
135
70
30
150
120
450
3
30
350-200
100
175
200
200
30
25
50
1
10
Дальнейшим усовершенствованием методов охлаждения явилось приме-
нение смесей воды с воздухом, подаваемых через форсунки. Водовоздушные
среды применяют для охлаждения крупных поковок, рельсов и т.д.
Для легированных сталей, обладающих более высокой устойчивостью
переохлажденного аустенита при закалке, применяют минеральное масло (чаще
нефтяное). Минеральные масла также являются кипящими жидкостями. Но, в
отличие от воды, период пузырькового кипения у них соответствует более вы-
соким температурам 500-250°С. При закалке в масле по сравнению с водой зна-
чительно снижается скорость охлаждения в интервале температур мартенсит-
ного превращения (особенно при 250-100°С), что уменьшает опасность возник-
новения закалочных дефектов. Температуру масла при закалке поддерживают в
пределах 60-90°С, когда его вязкость оказывается минимальной.
Специальные способы закалки. Наиболее широко применяют закалку в
одном охладителе. Такую закалку называют непрерывной. Во многих случаях,
особенно для изделий сложной формы и при необходимости уменьшения де-
111
формации, применяют и другие (специальные) способы закалки. К ним отно-
сятся прерывистая закалка, закалка с самоотпуском, ступенчатая закалка, изо-
термическая закалка. Для некоторых сталей целесообразно после закалки про-
водить дополнительную обработку холодом.
Прерывистая закалка (в двух средах) заключается в том, что изделие
сначала быстро охлаждают в воде до температуры несколько выше точки М„, а
затем переносят в менее интенсивный охладитель (например, в масло или на
воздух), в котором оно охлаждается до 20°С. По сравнению с непрерывной за-
калкой этот способ позволяет уменьшить внутренние напряжения, в том числе
и в области температур мартенситного превращения.
Закалка с самоотпуском отличается тем, что охлаждение изделия в зака-
лочной среде прерывают, сохраняя в сердцевине изделия некоторое количество
теплоты. Под действием теплообмена температура в поверхностных слоях по-
вышается, обеспечивая их самоотпуск. Закалку с самоотпуском применяют, на-
пример, для таких инструментов, как зубила, кувалды, слесарные молотки, кер-
ны, которые работают с ударными нагрузками и должны сочетать высокую
твердость на поверхности с повышенной вязкостью в сердцевине.
Ступенчатая закалка проводится путем охлаждения в среде, имеющей
температуру несколько выше точки Мн (обычно 180-250°С), и выдержки в ней
сравнительно короткое время для выравнивания температуры по сечению изде-
лия, охлаждая его затем до комнатной температуры на воздухе (рис.4.2, а).
Мартенситное превращение протекает при охлаждении на воздухе, но менее
полно, чем при непрерывной закалке, вследствие чего сталь сохраняет больше
остаточного аустенита. Применяется этот способ для инструмента из углероди-
стых сталей диаметром не более 8-10 мм.
■« 1 Т I М/с-* I ' ' ' ' >-
Время, ч Время, ч
а б
Рис.4.2. Схемы ступенчатой закалки углеродистой эвтектоидной стали (а)
и изотермической закалки легированной стали (б)
112
Изотермическую закалку выполняют в основном так же, как и ступенча-
тую, но с более длительной выдержкой выше точки Мн, в процессе которой про-
исходит распад аустенита с образованием нижнего бейнита (рис.4.2, б). Для уг-
леродистых сталей изотермическая закалка не дает существенного повышения
механических свойств, поэтому используется такой способ закалки для легиро-
ванных сталей. У большинства легированных сталей распад аустенита в про-
межуточной области не идет до конца. Желательно получать структуру нижне-
го бейнита с 10-20%-ного остаточного аустенита, обогащенного углеродом, но
без мартенсита. В этом случае достигается высокая прочность при достаточной
вязкости стали. Мартенсит в структуре изотермически закаленной стали значи-
тельно снижает сопротивление хрупкому разрушению.
В качестве охлаждающей среды при ступенчатой и изотермической за-
калке чаще применяют расплавленные соли с температурой от 150 до 500°С
(например, 55% KN03 и 45% NaN03), а также расплавленные щелочи (20%
NaOH и 80% КОН). Чем ниже температура соли или щелочи, тем выше ско-
рость охлаждения в ней. Закалку в щелочах называют светлой, так как она по-
зволяет получить чистую поверхность светло-серого цвета.
Сопоставление режимов ох-
лаждения при различных способах
закалки схематично приведено на
рис.4.3.
Обработка стали холодом целе-
сообразна в тех случаях, когда в
закаленной стали присутствует
значительное количество остаточ-
ного аустенита. Аустенит понижа-
ет твердость, износостойкость и
нередко приводит к изменению
размеров деталей, работающих
при низких температурах, в ре-
зультате самопроизвольного пре-
вращения его в мартенсит.
Охлаждение закаленной ста-
ли до отрицательных температур,
близких к Мк, приводит к умень-
шению количества остаточного
аустенита.
Обработку холодом вы-
полняют сразу после закалки, а за-
тем проводят отпуск. Используют такую обработку с целью повышения ста-
бильности структуры и твердости главным образом для измерительных инст-
рументов, пружин и деталей из цементуемых легированных сталей.
Время, ч
Рис.4.3. Кривые охлаждения для раз-
личных способов закалки:
1 - непрерывной (в одной среде);
2 - прерывистой (в двух средах);
3 - ступенчатой; 4 - изотермической
113
4.5. ЗАКАЛИВАЕМОСТЬ И ПРОКАЛИВАЕМОСТЬ СТАЛИ
Под закаливаемостью понимают способность стали повышать твер-
дость в результате закалки. Закаливаемость стали определяется в первую оче-
редь содержанием в стали углерода. Чем больше в мартенсите углерода, тем
выше его твердость. Легирующие элементы оказывают относительно неболь-
шое влияние на закаливаемость.
Под прокаливаемостыо понимают способность стали получать зака-
ленный слой с мартенситной или троосто-мартенситной структурой и высо-
кой твердостью на ту или иную глубину. Если закаленный слой характеризует-
ся только структурой мартенсита, то такую прокаливаемость называют мартен-
ситной. Однако в связи с трудностью определения границы чисто мартенситной
структуры чаще определяют границу слоя, содержащего не только мартенсит,
но и некоторое количество промежуточных или трооститных структур. Так,
обычно при оценке мартенситной прокаливаемое™ используют глубину слоя с
содержанием мартенсита 95%. Но чаще всего определяют не мартенситную, а
полумартенситную прокаливаемость, оцениваемую расстоянием от поверхно-
сти до полумартенситной зоны (50% мартенсита + 50% троостита). Полумар-
тенситную зону принимают в качестве критерия прокаливаемое™ потому, что
ее легко определить по микроструктуре, но еще проще по твердости. Твердость
полумартенситной структуры в основном зависит от содержания углерода и
значительно слабее от легирования сталей (табл. 4.2).
Таблица 4.2
Влияние содержания углерода и легирования сталей на твердость
полумартенситной зоны
Содержание углерода,
%
0,08-0,17
0,18-0,22
0,23-0,27
0,28-0,32
0,33-0,42
0,43-0,52
0,53^0,62
Твердость HRC полумартенситной зоны сталей
углеродистых
-
25
30
35
40
45
50
легированных
25
30
35
40
45
50
55
Прокаливаемость количественно оценивают величиной реального крити-
ческого диаметра. Реальным критическим диаметром называется наибольший
диаметр образца, при котором сталь в данном охладителе (в воде, в масле, на
воздухе и т.д.) прокаливается полностью, т.е. в центре образца обеспечиваются
необходимая структура и твердость. Критическому диаметру полумартенсит-
ной прокаливаемости в центре сечения изделия соответствует полумартенсит-
114
ная структура. Но полумартенситная прокаливаемость не всегда обеспечивает
необходимые механические свойства и их равномерность по сечению изделия.
В связи с этим прокаливаемость нередко определяют по глубине закаленного
слоя со структурой 95%-ного мартенсита. Критический диаметр 95%-ной мар-
тенситной прокаливаемости примерно на 25% меньше критического диаметра,
определенного по полумартенситной зоне. Полная прокаливаемость на струк-
туру 99,9%-ного мартенсита составляет ~50% полумартенситной прокаливаемости.
Прокаливаемость определяется критической скоростью охлаждения, за-
висящей от состава стали. Если действительная скорость охлаждения в сердце-
вине изделия будет превышать критическую скорость закалки VKp, то сталь по-
лучит мартенситную структуру по всему сечению; если же будет превышена
скорость охлаждения для полумартенситной зоны V^sa, то обеспечивается
сквозная полумартенситная прокаливаемость. При недостаточной скорости ох-
лаждения в сердцевине изделия (меньше VKp и меньше VKpso) изделие прокалит-
ся только на некоторую глубину и прокаливаемость будет неполной (рис.4.4). В
этом случае в сердцевине произойдет распад аустенита с образованием пла-
стинчатой ферритно-карбидной структуры (троостита, сорбита или перлита).
Время, ч
Рис.4.4. Схемы, показывающие различную скорость охлаждения по сечению
изделия при его несквозной прокаливаемости (а) и графики критических скоро-
стей охлаждения при полной мартенситной (V,p) и полумартенситной (V^o)
прокаливаемости (б): D,^- диаметр цилиндрического изделия; 2ц - толщина
закаленного слоя при мартенситной прокаливаемости; аг - толщина закаленно-
го слоя при полумартенситной прокаливаемости
Прокаливаемость стали тем выше, чем меньше критическая скорость за-
калки, т.е.чем выше устойчивость переохлажденного аустенита. Она увеличи-
вается при легировании стали элементами, хорошо растворяющимися в аусте-
115
ните (кроме кобальта), а также при увеличении содержания углерода до 0,8 %.
Сильно повышают прокаливаемость молибден, вольфрам, хром, марганец и ма-
лые добавки бора (0,003-0,005%), менее сильно влияет кремний. Про-
каливаемость особенно возрастает при одновременном введении в сталь не-
скольких легирующих элементов.
Легирующие элементы повышают прокаливаемость только при том ус-
ловии, если они растворены в аустените. Если же они находятся в виде хими-
ческих соединений (например, карбидов или нитридов), то они не только не по-
вышают устойчивость аустенита, но могут ее уменьшить, так как частицы кар-
бидов и нитридов служат готовыми зародышами, облегчающими распад аустенита.
Повышается прокаливаемость стали при укрупнении структуры аустени-
та. Поэтому увеличение температуры и длительности нагрева повышает прока-
ливаемость. Легирующие элементы, находящиеся в виде карбидов, не только
создают дополнительные центры, способствующие распаду аустенита, но и из-
мельчают его зерно, что также увеличивает критическую скорость закалки и
уменьшает прокаливаемость.
Прокаливаемость зависит также от размеров детали и скорости охлажде-
ния. Чем интенсивнее охлаждает закалочная среда, тем больше прокаливае-
мость стали.
При сквозной прокаливаемости свойства стали, и в частности твердость,
по всему сечению изделия одинаковы или мало различаются. При несквозной
прокаливаемости твердость падает от поверхности к сердцевине.
После отпуска при высокой температуре различие в твердости и времен-
ном сопротивлении по сечению уменьшается, однако предел текучести, удар-
ная вязкость и пластичность в сердцевине образца остаются более низкими. Это
объясняется разным характером строения ферритно-цементитной структуры. В
закаленном слое в результате отпуска мартенсита образуется более дисперсная
ферритно-цементитная структура зернистого строения, а в сердцевине она бо-
лее грубая и имеет пластинчатое строение.
Прокаливаемость стали является важным фактором, определяющим ее
свойства и применение. Чем больше прокаливаемость, тем легче получить вы-
сокие механические свойства стали после термической обработки даже в дета-
лях большого сечения. Это особенно важно для ответственных деталей, кото-
рые подвергают термическому улучшению, т.е. закалке и отпуску при высоких
температурах. Поэтому такие детали целесообразно изготовлять из легирован-
ных сталей, обладающих высокой прокаливаемостью. Стали высокой прокали-
ваемости обладают еще и тем преимуществом, что их можно закаливать в мас-
ле и даже на воздухе, что способствует уменьшению внутренних напряжений,
возникающих при закалке стали.
Прокаливаемость стали чаще всего определяют методом торцовой закалки
(ГОСТ 5657-69). Образец стандартных размеров (рис.4.5) нагревают под закал-
ку в муфельной печи в течении 30 мин. После нагрева образец быстро перено-
сят в специальную установку, где его охлаждают с торца струёй воды. Скорость
охлаждения образца в разных точках его длины будет различной. Максималь-
116
шщ
23HM
д/жя
Iff!
Вова
Рис.4.5. Образец для
определения ирока-
ливаемрсти и схема
его охлаждения
ная скорость охлаждения достигается у торца, мини-
мальная (соответствующая охлаждению на воздухе) -
у противоположного конца образца. На торце и в се-
чениях, где скорость охлаждения была больше кри-
тической, получается структура мартенсита. В сече-
ниях, более удаленных от торца, последовательно
получают следующие структурные составляющие:
мартенсит, бейнит и пластинчатый троостит, троо-
стит, сорбит и перлит. В доэвтектоидных сталях,на-
ряду с сорбитом и перлитом, будет присутствовать
феррит, в заэвтектоидных сталях - вторичный цементит.
О структуре образца в различных зонах судят по
твердости. Результаты испытаний выражают в виде
графика или полосы прокаливаемое™ стали, постро-
енных в координатах твердость —. расстояние от ох-
лаждаемого торца. Чаще всего используют полосу
прокаливаемости (рис.4.6), так как прокаливаемость
одной и той же стали может колебаться в значитель-
ных пределах в зависимости от изменений химиче-
ского состава, величины зерна и других факторов.
Определив расстояние от торца до участка с
твердостью, соответствующей полумартенситной зо-
не данной стали (иногда это расстояние называют па-
раметром прокаливаемости стали и обозначают И$о,
мм), можно по специальной номограмме (номограмме М. Е Блантера, рис.4.7)
найти критический диаметр прокаливаемости.
Чтобы характеристика про-
каливаемости стали не была связа-
на с видом охладителя, при ис-
пользовании номограммы вводят
понятие об идеальном критиче-
ском диаметре, который является
наибольшим диаметром образца,
прокаливаемого насквозь, при
идеальном охлаждении. Поверх-
ность образца в идеальном охла-
дителе должна мгновенно прини-
мать его температуру, т.е. предпо-
лагается охлаждение с бесконечно
большой скоростью. От идеально-
го критического диаметра можно
перейти к реальному критическо-
му диаметру, используя номо-
грамму.
«9
£Н—1_
3*9 12 1} 1*213*2730
Расстояние от торца, мм
Рис.4.6. Полоса прокаливаемости
углеродистой стали 45
117
Расстояние до попчмаотенситной зоны, мм
0,5. . ,/г, 1.5 . 3 5. Ю .20... .
4\
Идеальный критический диаметр, мм
1 2 3 4 5 6 719Я111* » Я Я J* 4ZSBSB70XmWMffO 2S0
Диаметр цилиндра Л, мм {при l/d= 10)
Рис.4.7. Номограмма прокаливаемости сталей (по М. Е. Блантеру) с примером
определения критического диаметра прокаливаемости для стали 45 при ее за-
калке в воде и l/d= 10
Рассмотрим схему пользования номограммой на конкретном примере. Оп-
ределим критический диаметр для углеродистой стали, содержащей 0,45%С
(стали 45), полоса прокаливаемости которой была приведена ранее. Для этой
стали расстояние от торца до полумартенситной зоны (по средней линии поло-
сы) составляет 4 мм. Для определения критического диаметра на верхней шкале
номограммы отмечаем расстояние от закаливаемого торца до полумартенсит-
ной зоны (параметр прокаливаемости) 4 мм и опускаем перпендикуляр до пере-
сечения с линией идеального охлаждения. От точки пересечения проводим го-
ризонтальную линию влево до пересечения с линией заданной охлаждающей
среды (например, воды). От полученной точки пересечения опускаем перпен-
дикуляр до шкалы диаметров при заданном соотношении длины / к диаметру d,
например, при Ш= 10 имеем для рассматриваемой стали d^o- 19 мм. (здесь
^крзо характеризует критический диаметр полумартенситной прокаливаемости).
118
4.6. ОТПУСК ЗАКАЛЕННОЙ СТАЛИ
Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температур ниже
Aci, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении. Отпуск
является окончательной операцией термической обработки, в результате кото-
рой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск пол-
ностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при за-
калке. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска.
Скорость охлаждения после отпуска также оказывает влияние на оста-
точные напряжения. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные на-
пряжения. Ускоренное охлаждение после отпуска при 550-650°С повышает
предел выносливости за счет образования в поверхностном слое остаточных
напряжений сжатия. Однако изделия сложной формы во избежание их коробле-
ния после отпуска при высоких температурах следует охлаждать медленно, а
изделия из легированных сталей, склонных к обратимой отпускной хрупкости,
после отпуска при 500-650сС во всех случаях следует охлаждать быстро.
По температуре различают три вида отпуска.
Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят при нагреве до 250"С.
При этом снижаются закалочные макронапряжения, мартенсит закалки перево-
дится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается
вязкость без заметного снижения твердости. Закаленная высокоуглеродистая
сталь после низкого отпуска сохраняет высокие значения твердости и износо-
стойкости. Низкотемпературному отпуску подвергают режущий и мерительный
инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали, под-
вергнутые поверхностной закалке, цементации, цианированию или нитроце-
ментации. Реже низкий отпуск применяют для среднеуглеродистых сталей с
0,3-0,45%С. Продолжительность отпуска зависит от сечения деталей и состав-
ляет обычно 1-2,5 ч, а для массивных изделий и измерительных инструментов
может быть значительно больше.
Среднетемпературный (средний) отпуск выполняют при 350-450°С и
применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов. После
такого отпуска сталь имеет структуру троостита отпуска или троосто-
мартенсита, твердость 40-50 HRC, высокие пределы упругости и выносливости
и релаксационную стойкость. Охлаждение после отпуска следует проводить в
воде, что способствует образованию на поверхности сжимающих остаточных
напряжений, которые увеличивают предел выносливости пружин.
Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при 500-680°С, обес-
печивая структуру сорбита отпуска (зернистого сорбита) и наилучшее соотно-
шение прочности, пластичности и ударной вязкости стали. Поэтому термиче-
скую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучше-
нием. Улучшению подвергают среднеуглеродистые (0,3-0,5%С) конструкцион-
ные стали, к которым предъявляются высокие требования по пределу выносли-
вости и ударной вязкости. Длительность высокого отпуска составляет 1-6 ч в
зависимости от габаритов изделий.
119
4.7. ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ (ТМО)
Термомеханическая обработка заключается в сочетании пластической
деформации стали в аустенитном состоянии с закалкой. Различают два ос-
новных способа термомеханической обработки (рис. 4.8).
Деформация ВТМО
Время, ч
а
Время, ч
б
Рис.4.8. Схемы термомеханической обработки стали:
а - высокотемпературной (ВТМО); б - низкотемпературной (НТМО)
120
По первому способу, начинаемому высокотемпературной термомехани-
ческой обработкой (ВТМО), сталь деформируют при температуре выше АСз
(рис.4.8, а), при которой сталь имеет аустенитную структуру. Степень дефор-
мации составляет 20-30%. После деформации следует немедленная закалка во
избежание развития рекристаллизации.
По второму способу, называемому низкотемпературной термомеханической
обработкой (НТМО), сталь деформируют в температурной зоне существования
переохлажденного аустенита в области его относительной устойчивости {400-
600°С); температура деформации должна быть выше точки Мн, но ниже темпе-
ратуры рекристаллизации (рис.4.8, б). Степень деформации обычно составляет
75-95%. Закалку осуществляют сразу после деформации.
После закалки в обоих случаях следует низкотемпературный отпуск (100-
300°С). Такая комбинированная обработка позволяет получить очень высокую
прочность (as = 2200-3000 МПа) при хорошей пластичности (S- 6-8 %, ц/= 50-
60%) и ударной вязкости. Очень важно, что одновременно с повышением проч-
ности после ТМО возрастают пластичность и сопротивление разрушению.
Чаще применяют ВТМО, которая обеспечивает, наряду с высокой проч-
ностью, высокое значение К1С, сопротивление усталости, снижение критиче-
ской температуры хрупкости и чувствительности к концентраторам напряже-
ний и необратимой отпускной хрупкости.
4.8. ДЕФЕКТЫ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ
СТАЛИ
Неправильно проведенная закалка может вызвать различные дефекты.
Наиболее распространенные из них: недостаточная твердость, мягкие пятна,
повышенная хрупкость, обезуглероживание и окисление поверхности, коробле-
ние, деформации и трещины.
Деформация, коробление и трещины являются следствием внутренних
напряжений. Склонность к образованию трещин возрастает с увеличением в
стали содержания углерода, повышением температуры закалки и увеличением
скорости охлаждения в температурном интервале мартенситного превращения.
Другой причиной образования трещин является наличие в изделии концентра-
торов напряжений (резкое изменение сечения изделия или местные вырезки,
углубления, выступы и т. д.).
Трещины - неисправимый дефект. Для предупреждения их образования
нужно при конструировании изделий избегать резких выступов, заостренных
углов, резких переходов от толстых сечений к тонким и т.д., проведения закал-
ки с возможно более низких температур, медленного охлаждения в мартенсит-
ном интервале температур, проведения изотермической закалки и выполнения
отпуска немедленно после закалки. Сложные по форме детали целесообразно
изготовлять из легированных (закаливаемых в масле) сталей, а не из углероди-
стых (закаливаемых в воде).
121
Деформация представляет собой изменение размеров и формы изделий,
происходящее при термической обработке под действием неоднородных объ-
емных изменений, вызванных неравномерным охлаждением и фазовыми пре-
вращениями. Несимметричную деформацию изделий называют короблением
(поводкой). Короблению чаще подвержены длинные и тонкие изделия. Для
уменьшения коробления их охлаждают при закалке в зажатом состоянии (в
штампах и других приспособлениях).
Недостаточная твердость закаленной детали может быть из-за недогре-
ва (низкая температура в печи, недостаточная выдержка при правильной темпе-
ратуре в печи) или недостаточно интенсивного охлаждения. Повышение темпе-
ратуры печи или увеличение выдержки в первом случае устраняет пониженную
твердость закаленных деталей. Во втором случае следует применять более ин-
тенсивное охлаждение.
Образование мягких пятен также является следствием недостаточного
прогрева или недостаточно интенсивного охлаждения. Иногда мягкие пятна по-
являются из-за неоднородности исходной структуры, например скоплений фер-
рита. В этих местах при нагреве до температуры закалки может сохраниться
феррит или получиться аустенит с недостаточной концентрацией углерода.
Предварительная термическая обработка (нормализация), создающая более од-
нородную структуру, устраняет этот дефект.
Повышенная хрупкость - дефект, обычно появляющийся в результате за-
калки от слишком высоких температур, при которых произошел значительный
рост зерен аустенита (при перегреве стали). Устраняют дефект повторной за-
калкой от нормальных температур для данной стали.
Окисление и обезуглероживание поверхности часто происходит при на-
греве в пламенных или электрических печах без контролируемой атмосферы.
Поэтому дают припуск на шлифование, что удорожает и усложняет технологию
изготовления термически обрабатываемых деталей. Контролируемая искусст-
венная атмосфера в термических печах является радикальным способом устра-
нения или уменьшения этого дефекта. Нагрев в солях также способствует
уменьшению окисления и обезуглероживания.
Изложенный в настоящей главе материал позволяет выбрать метод и ре-
жимы термической обработки в зависимости от требуемых физико-
механических свойств основы материала деталей машин.
122
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 4
1. Что собой представляет отжиг I рода и какие виды его Вы знаете?
2. Определите температуру полного отжига сталей с 0,3 и 0,6%С. С ка-
кой целью проводится такой отжиг?
3. Какую сталь нужно при отжиге охлаждать медленнее - углеродистую
или легированную? Почему?
4. Для каких сталей и с какой целью проводят неполный отжиг?
5. Каковы особенности изотермического отжига? Что собой представляет
процесс патентирования и с какой целью его проводят?
6. С какой целью и в каких случаях проводят нормализацию стали?
7. Что собой представляет закалка стали? С какой целью она проводит-
ся? Как определяют температуру и продолжительность нагрева при закалке?
8. Какие вы знаете специальные способы закалки?
9. Какие охлаждающие среды применяют при закалке?
10. Что собой представляют контролируемые атмосферы?
11. Установите режимы закалки для изделий из сталей, содержащих 0,4 и
1%С (температуру, время нагрева, среду нагрева, охлаждающую среду).
12. Как и для чего проводится изотермическая закалка? Какую структуру
должна иметь сталь после такой закалки?
13.Что такое закаливаемость и прокаливаемость сталей?
14. Какие факторы влияют на прокаливаемость сталей?
15.Как строят полосы прокаливаемости сталей и для чего они использу-
ются?
16. Что такое критический диаметр прокаливаемости и как его определяют?
17. С использованием полос прокаливаемости и номограммы Блантера
определите критический диаметр прокаливаемости для любой легированной
стали.
18.Какие вы знаете виды отпуска? Какой отпуск целесообразно использо-
вать для инструмента из высокоуглеродистой стали?
19. Что такое термическое улучшение и когда его целесообразно исполь-
зовать?
20. Какие преимущества и почему имеет термомеханическая обработка
перед обычной обработкой, состоящей из закалки и отпуска?
123
ГЛАВА 5. СПОСОБЫ ПОВЕРХНОСТНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ
И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ
В значительной степени справедливо утверждение, что качество машины
заложено в поверхностном слое детали. Долговечность работы машины зависит
от того, как изнашиваются различные трущиеся поверхности, как возникают и
развиваются трещины, особенно при знакопеременных нагрузках, т. е. долго-
вечность зависит от качества поверхностного слоя детали. Поэтому в машино-
строении широко используются не только методы объемного упрочнения изде-
лий, но и методы, обеспечивающие различное сочетание свойств в поверхност-
ном слое и внутреннем объеме деталей.
5.1. РОЛЬ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
Обычно к поверхностному слою деталей предъявляются более высокие
требования по прочности, твердости, износостойкости, коррозионной стойко-
сти, трещиностойкости. В то же время в основном объеме детали материал
должен обладать более высокой пластичностью и ударной вязкостью, что обес-
печивается при пониженной твердости.
Нет универсального способа обработки поверхностного слоя, достаточно
эффективного для разных условий эксплуатации. При значительном изнашива-
нии деталей требуется повышенная поверхностная твердость. Для деталей, ра-
ботающих в узлах трения, необходимо обеспечить комплекс высоких анти-
фрикционных свойств. Для улучшения трещиностойкости обработку поверхно-
сти проводят так, чтобы устранить нарушения сплошности, царапины, кор-
розионные пятна, снять неблагоприятные остаточные напряжения и создать на-
пряженный поверхностный слой, характеризующийся действием сжимающих
напряжений.
Особенностью поверхностного упрочнения является создание в поверх-
ностном слое напряжений сжатия. При удалении от поверхности напряжения
сжатия уменьшаются и на определенном расстоянии меняют свой знак. В серд-
цевине возникают напряжения растяжения. Желательно, чтобы напряжения
растяжения были минимальны и по величине, и по объему изделия.
Поверхностный упрочненный слой должен иметь хорошее сцепление с
внутренней частью изделия. Поэтому он не должен резко отличаться по хими-
ческому составу, например наплавка другим составом не всегда пригодна для
упрочнения сильно нагруженных изделий.
Методы химико-термической обработки очень специфичны и основаны
на протекании химических процессов, определяющих изменение состава по-
верхностного слоя. Они будут рассмотрены в разделе 2.8.
124
В п. 5.2. рассмотрим методы упрочняющей обработки, не вызывающие
существенного изменения химического состава поверхностного слоя. К ним
относятся методы поверхностной закалки и деформационного упрочнения по-
верхности деталей.
5.2. ПОВЕРХНОСТНАЯ ЗАКАЛКА
Основное назначение поверхностной закалки - повышение твердости, из-
носостойкости и предела выносливости обрабатываемого изделия. Сердцевина
остается вязкой и воспринимает ударные нагрузки.
При поверхностной закалке обеспечивается упрочнение поверхностного
слоя без изменения его химического состава. Поэтому поверхностный слой
имеет обычно хорошее сцепление с внутренними слоями и менее хрупок по
сравнению с упрочненными слоями, получаемыми другими методами.
Методы поверхностной закалки различают по способу нагрева, и вклю-
чают закалку:
- с индукционным нагревом токами высокой частоты (закалка ТВЧ);
- электроконтактным нагревом;
- газопламенным нагревом;
- нагревом концентрированными потоками энергии (например, лазерная,
электронно-лучевая).
Нагрев поверхности при закалке проводят до разных температур:
- для сталей обычно ниже линии солидус (обеспечивая закалку с темпе-
ратур аустенитного состояния);
- для чугунов возможны два варианта: 1) закалка поверхности от темпе-
ратур аустенитного состояния (как и для сталей), 2) закалка поверхности от
температур жидкого или твердожидкого состояния (закалка с оплавлением).
К особенностям поверхностной закалки относятся:
- высокие скорости нагрева;
- кратковременное пребывание в нагретом состоянии;
- высокие скорости охлаждения.
Поэтому изделия, подвергнутые поверхностной закалке, получают более
высокую твердость (на 2-3 ед. HRC), чем при объемной закалке.
При поверхностной закалке на поверхности возникают большие внутрен-
ние напряжения сжатия (до 700-800 МПа), а в сердцевине - растягивающие (до
300-400 МПа). Сжимающие напряжения на поверхности обеспечивают ее вы-
сокое сопротивление усталости и снижают чувствительность к концентраторам
напряжений.
В практике наиболее часто применяют поверхностную закалку с индук-
ционным нагревом токами высокой частоты (ТВЧ).
Закалка с индукционным нагревом. Индукционный нагрев происходит
вследствие теплового действия тока, индуктируемого в изделии, помещенном в
переменное магнитное поле (рис.5.1).
Рис.5.1. Схема закалки с индукционным нагревом:
а - основные элементы схемы процесса (1 - деталь. 2 - индуктор,
3 - спрейер); б - нагрев детали в индукторе; в - охлаждение
нагретой детали в спрейере
Для нагрева изделие устанавливают в индуктор (рис.5.1, б). Переменный
ток, протекая через индуктор, создает переменное магнитное поле. В результате
в поверхностном слое возникают вихревые токи и происходит выделение теп-
лоты. Около 90% теплоты выделяется в слое толщиной а (мм), которая зависит
от частоты тока/(с"1), магнитной проницаемости fi (Гс) и электрического со-
противления р (Ом • м) нагреваемого металла:
Глубина проникновения тока увеличивается с повышением температуры
и наиболее резко возрастает при температуре, лежащей выше точки Кюри
(768°С), вследствие резкого уменьшения магнитной проницаемости при пере-
ходе стали из ферромагнитного в парамагнитное состояние. Для закалки при
поверхностном нагреве применяют сравнительно большую удельную мощность
(до 2 кВт/см2), и поэтому время нагрева незначительно (2-50 с). Для получения
слоя толщиной 1 мм оптимальная частота тока составляет 50-60 кГц, для слоя
толщиной 2 мм ~15 кГц и для слоя толщиной 4 мм - всего ~ 4 кГц.
Выбор оптимальной толщины упрочняемого слоя определяется условия-
ми работы детали. Когда изделие работает только в условиях изнашивания или
усталости, толщину закаленного слоя чаще принимают 1,5-3 мм, в условиях
высоких контактных нагрузок и возможной перешлифовки - 4-5 мм. При особо
больших контактных нагрузках, например для валков холодной прокатки, тол-
щина закаленного слоя достигает 10-15 мм и выше. Обычно считают, что пло-
щадь сечения закаленного слоя должна быть не более 20% всего сечения. Для
зубчатых колес толщина слоя составляет 0,2-0,3 от их модуля.
126
Источником электропитания служат чаще всего машинные или ламповые
генераторы. Когда глубина закалки 1-3 мм и более, применяют машинный ге-
нератор. Для нагрева деталей с глубиной закалки в десятые доли миллиметра
используют ламповые генераторы.
При больших скоростях нагрева (50-350°С/с) превращение перлита в ау-
стенит сдвигается в область высоких температур, поэтому температура закалки
при индукционном нагреве выше, чем при нагреве в печах, где скорость нагре-
ва не превышает 1,5-3°С/с. Так, при нагреве со скоростью 250°С/с температура
нагрева под закалку составляет около 900°С, а со скоростью 500°С/с - около
1000°С.
Охлаждающую жидкость (воду, водные растворы полимеров) для закалки
обычно подают через душевое устройство (спрейер).
Существуют следующие способы закалки с индукционным нагревом:
1) одновременный нагрев и охлаждение всей поверхности; применяют
для изделий, имеющих небольшую упрочняемую поверхность (пальцы, валики,
осевые инструменты);
2) последовательный нагрев и охлаждение отдельных участков; исполь-
зуют при закалке шеек коленчатых валов, зубчатых колес с модулем более 6,
кулачков распределительных валов и т. д.;
3) непрерывно-последовательный нагрев и охлаждение; применяют для
закалки длинных валов, осей и т. д.; при этом методе изделие перемещается от-
носительно неподвижных индуктора и спрейера (или наоборот).
После закалки с индукционным нагревом изделия подвергают низкому
отпуску при 160-200°С, нередко и самоотпуску.
Для поверхностной индукционной закалки применяют среднеуглероди-
стые стали 40, 45,40Х, 45Х, 40ХН и др., которые после закалки имеют высокие
твердость (HRC 50-60), износостойкость и не склонны к хрупкому разрушению.
Когда требуется получение закаленного слоя большой глубины, исполь-
зуют поверхностную закалку с глубинным индукционным нагревом (объемно-
поверхностную закалку). В этом случае глубина закалки определяется не глу-
биной нагрева, а прокаливаемостью стали. После закалки на поверхности обра-
зуется мартенсит (~ HRC 60), а в сердцевине, поскольку здесь скорость охлаж-
дения меньше критической, - сорбит или троостит, что значительно упрочняет
ее (HRC 30-40, ав = 1200-1300 МПа).
Для глубинного нагрева используют специально разработанные стали по-
ниженной или регламентированной прокаливаемое™. Это достигается ограни-
чением содержания примесей (Mn, Cr, Ni и др.) и мелкозернистой структурой
аустенита. Чаще применяют стали пониженной прокаливаемое™ (55ГО1), со-
держащие менее 0,5% примесей, и регламентированной прокаливаемости
(47ГТ, ЩХ4РП).
Сталь 55ПП используют для деталей, у которых глубина закаленного
слоя должна быть до 2-3 мм. В стали регламентированной прокаливаемости по-
лучение закаленного слоя глубиной 7-8 мм обеспечивают легирующие элемен-
ты. Эти стали можно использовать и при обычной поверхностной закалке.
127
При поверхностной закалке с использованием индукционного нагрева
можно получить твердость, большую на 3-5 единиц HRC, чем при объемной за-
калке, что объясняется высокой скоростью охлаждения при поверхностной за-
калке в мартенситном интервале температур, исключающей возможность от-
пуска в процессе закалки.
Большинство деталей машин (оси, валы и др.) работает на изгиб и круче-
ние, когда максимальные растягивающие напряжения возникают в поверхност-
ных слоях, где сосредоточены концентраторы напряжений. При образовании на
поверхности остаточных напряжений сжатия они уменьшают растягивающие
напряжения, возникающие от внешней нагрузки, что приводит к повышению
предела выносливости, например предел выносливости стали 40 после
поверхностной закалки повышается более чем в 2,5 раза.
Закалка ТВЧ имеет ряд значительных преимуществ по сравнению с объ-
емной закалкой. К ним относятся:
- сравнительно низкая трудоемкость, высокая производительность, воз-
можность механизации и автоматизации процесса;
- отсутствие выгорания углерода, окисления и образования окалины;
- минимальные деформации и коробление;
- возможность достаточно точного регулирования глубины закаленного
слоя;
- возможность использования сравнительно дешевых сталей.
В то же время этот метод экономически нерентабелен при закалке еди-
ничных деталей, для каждой из которых требуется изготовить собственный ин-
дуктор и подобрать режим обработки.
Впервые метод закалки ТВЧ был применен для термической обработки
автомобильных деталей В. П. Вологдиным.
Закалка с газопламенным нагревом. Этот способ закалки применяют
для крупных изделий (прокатных валков, валов и т.д.). Поверхность деталей на-
гревают газовым пламенем, имеющим высокую температуру (2400-3150°С).
Вследствие подвода значительного количества теплоты поверхность изделия
быстро нагревается до температуры закалки, тогда как сердцевина деталей не
успевает нагреться. Последующее быстрое охлаждение обеспечивает закалку
поверхностного слоя. В качестве горючего применяют ацетилен, светильный и
природный газы, а также керосин.
Толщина закаленного слоя обычно 2-4 мм, а его твердость для стали 45
50-56 HRC. Газопламенная закалка вызывает меньшие деформации, чем объем-
ная закалка. Процесс газопламенной закалки можно автоматизировать и вклю-
чить в общий поток механической обработки. Для крупных деталей этот способ
закалки часто более рентабелен, чем закалка с индукционным нагревом.
Поверхностная закалка с лазерным нагревом. Лазерная закалка осу-
ществляется в результате кратковременного (от десятых до миллионных долей
секунды) нагрева изделия концентрированным потоком энергии лазерного пуч-
ка и быстрого (со скоростью от 10 до 106оС/с) охлаждения.
128
Для лазерной термической обработки используют как газовые С02-лазеры
непрерывного действия, так и твердотельные лазеры импульсного и импульсно-
йериодического действия.
В зависимости от плотности мощности лазерного излучения нагрев осу-
ществляется как с расплавлением металла, так и без него. Наибольшая толщина
слоя без оплавления стали не превышает 1,5-2,0 мм, а чугуна -1-1,5 мм. При
обработке с оплавлением толщина упрочненного слоя больше. Лазерную обра-
ботку с оплавлением поверхности успешно применяют для упрочнения литых
изделий из перлитного серого, ковкого и высокопрочного чугунов.
Поверхностная закалка при нагреве лазером без оплавления повышает в
2-4 раза износостойкость, на 70-80% предел выносливости при изгибе и на 60-
70% предел контактной выносливости.
Лазерная термическая обработка обеспечивает высокую производитель-
ность и возможность автоматизации процесса. Меняя направление лазерного
пучка с помощью оптических систем и регулируя режим лазерной обработки,
можно вести обработку строго определенных участков и контуров деталей и
формировать в поверхностных слоях различную дисперсность структуры, а
также комбинировать сочетание твердых и вязких слоев, обеспечивая компози-
ционный характер поверхности.
53. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА (ХТО) СТАЛИ
Химико-термической обработкой называют комплексную обработку, в
которой сочетаются термическое и химическое воздействия на металлические
изделия с целью изменения химического состава, структуры и свойств металла
в поверхностных слоях. Химическое воздействие сводится к диффузионному
насыщению поверхностного слоя стали различными элементами (С, N, Si, В, Сг,
А1 и др.) в атомарном состоянии из внешней среды в процессе выдержки при
определенной (повышенной) температуре. При ХТО используют активные сре-
ды в различном агрегатном состоянии (твердом, жидком или газообразном).
53.1. Основные закономерности химико-термической обработки
При ХТО одновременно протекает несколько процессов:
1. Диссоциация исходных веществ с образованием в реакционной среде
диффундирующего элемента в атомарном состоянии; характеристикой процес-
са является степень диссоциации.
2. Абсорбция атомов (ионов) поверхностью металла; происходит на гра-
нице газ - металл.
3. Диффузия, т.е проникновение атомов насыщающего элемента в глубь
металла (изделия).
В результате образуется диффузионный слой, отличающийся от исходно-
го по химическому составу, структуре и свойствам. По мере удаления от по-
верхности концентрация диффундирующего элемента уменьшается (рис.5.2).
129
При определении толщины диффузионного слоя обычно указывается не
общая толщина слоя с измененным составом (аа на рис.5.2), а толщина до по-
граничной диффузионной
линии, характеризующей до
предельно допустимые
значения свойств (напри-
мер, определенной твер-
дости). Эту часть диффу-
зионного слоя называют
эффективной толщиной
(аэ на рис.5.2).
Толщина диффузи-
онного слоя зависит от
температуры насыщения,
продолжительности про-
цесса, характера обра-
зующегося твердого рас-
твора, обрабатываемого
металла и концентрации
диффундирующего эле-
мента на поверхности.
Чем выше концентрация
диффундирующего эле-
мента на поверхности, тем
больше толщина слоя при
данной температуре и
продолжительности про-
цесса насыщения.
Процесс диффузии
характеризуется величи-
ной коэффициента диффу-
зии D, который представляет собой количество вещества, продиффундировав-
шего через единицу площади (1 см2) в единицу времени (1 с) при перепаде кон-
центраций, равном единице. Зависимость D от температуры выражается урав-
нением:
Расстояние от поверхности
Рис.5.2. Схема диффузионного слоя:
ао - общая толщина диффузионного слоя, аа
- эффективная толщина диффузионного слоя;
апер - толщина переходной зоны; С,». - кон-
центрация диффундирующего элемента на
поверхности; С^ — концентрация диффунди-
рующего элемента, принятая для граничной
зоны; Со - содержание диффундирующего
элемента в исходном металле (в сердцевине)
D = Dr
■ехр(—Я-у,
RT
где Do — коэффициент, зависящий от вида кристаллической решетки раствори-
теля; Q - энергия активации; R - универсальная газовая постоянная (~ 8,3
Дж/(моль-град.); Г-абсолютная температура.
Обычно оценивают скорость диффузии по величине Q. Чем больше Q,
тем медленнее диффузия. Скорость диффузии атомов элемента, образующего с
обрабатываемым металлом твердые растворы внедрения (например, углерода и
130
азота в железе), значительно выше, чем при образовании твердого раствора за-
мещения, так как для углерода и азота в железе Q ~ 130 кДж/г-ат., а для элемен-
тов замещения примерно в два раза больше.
Из уравнения коэффициента диффузии видно, что скорость диффузионных про-
цессов очень сильно зависит от температуры. Поэтому при поверхностном на-
сыщении стали элементами замещения (например, металлами) процесс ведут
при более высоких температурах и длительнее, чем при насыщении углеродом
или азотом.
Продолжительность процесса химико-термической обработки определя-
ется требуемой глубиной диффузионного слоя. При постоянной температуре
процесса увеличение толщины слоя а во времени т подчиняется параболиче-
скому закону:
а - к-4т ,
где к - коэффициент.
Насыщение поверхностного слоя может приводить к изменению его фа-
зового состава; в нем могут образовываться химические соединения, но может
измениться и структура металлической основы. Так, при насыщении элемента-
ми-ферритизаторами (Si, A1 и
др.) вместо аустенита может
появляться феррит (рис.5.3).
Химико-термическую
обработку широко применяют
для упрочнения деталей ма-
шин. Это объясняется тем, что
большинство деталей машин
работают в условиях изнаши-
вания, циклических нагрузок,
коррозии при криогенных и
высоких температурах, при
которых максимальные на-
пряжения возникают в по-
верхностных слоях металла,
где сосредоточены основные
концентраторы напряжений.
Расстояние от поверхности
Рис.5.3. Схема диффузионного слоя
с изменением структуры металлической
основы стали
5.3.2. Цементация стали
Цементацией (науглероживанием) называют диффузионное насыщение
поверхностного слоя стали углеродом. Цементацию проводят при нагреве вы-
ше критической точки АСз (обычно при 910-950°С) в соответствующей твердой
или газовой среде - карбюризаторе.
Назначение цементации и последующей термической обработки - при-
дать поверхностному слою стальной детали высокую твердость и износостой-
кость, повысить предел контактной выносливости и предел выносливости при
131
(0,1-0,2%С) стали, чаще легированные. Такой выбор обусловлен необходимо-
стью сохранения вязкой сердцевины детали после термической обработки.
Цементация происходит за счет диффузии атомарного углерода, который
образуется при диссоциации газов (СО, СН4 и др.).
Цементация в твердом карбюризаторе. В качестве твердого карбюри-
затора используют древесный уголь, каменноугольный кокс и торфяной кокс, к
которым добавляют катализаторы в виде углекислых солей (ВаСОэ или
ЫагСОз) в количестве 10-40% от массы карбюризатора. Процесс проводят в
стальных или чугунных ящиках, пересыпая детали карбюризатором. Ящики за-
крываются крышками и герметизируются. После этого ящики помещают в
печь, нагреваемую до 910-930°С, и выдерживают в печи при этих температурах
от 5,5 до 14 ч в зависимости от размеров ящиков. Такая выдержка обеспечивает
образование необходимого диффузионного слоя толщиной 1,2-1,5 мм.
В процессе цементации протекают следующие реакции:
2С + 02 — 2СО,
2СО ->• С02 + Сат
где, Сэт - атомарный углерод; [С]р - углерод в твердом растворе.
Углекислые соли активизируют карбюризатор, обогащая атмосферу в це-
ментационном ящике окисью углерода:
ВаСОз + С —ВаО + 2СО.
Газовая цементация. Осуществляется нагревом изделия в среде газов,
содержащих углерод, например в среде природного газа, состоящего из метана
и пропанобутановых смесей. Основной реакцией, обеспечивающей образование
атомарного углерода при большом содержании в атмосфере метана, является
его диссоциация:
СКЦ —* 2Нг + Сет.
Процесс ведут при 930-950°С в течение 6-12 ч для получения диффузионного
слоя толщиной 1-1,7 мм. Процесс можно ускорить, повысив температуру до
1000-1050"С.
В серийном производстве газовую цементацию обычно проводят в шахт-
ных печах периодического действия и в печах непрерывного действия. В по-
следнем случае применяют эндотермическую контролируемую атмосферу с до-
бавлением природного газа.
Преимущества газовой цементации: достигается наиболее высокая произ-
водительность, так как отпадает необходимость прогрева ящиков; обеспечива-
ется возможность полной механизации и автоматизации процесса; значительно
Упрощается последующая термическая обработка деталей.
Структура и свойства цементованной стали. Цементацию стали про-
водят в аустенитном состоянии, причем аустенит обычно не доводят до насы-
щения. Аустенит в цементованном слое имеет переменную концентрацию уг-
лерода (рис.5.4, а). После медленного охлаждения в структуре цементованного
132
слоя можно выделить 3 зоны (рис.5.4, а, б): заэвтектоидную (перлит с сеткой
вторичного цементита), эвтектоидную (пластинчатый перлит) и доэвтектоид-
ную (перлит и феррит). За эффективную толщину цементованного слоя прини-
мают расстояние от поверхности детали до полуперлитной зоны (структура ко-
торой состоит из 50% перлита и 50% феррита). Этой зоне соответствует содер-
жание углерода примерно 0,4%.
I
а
-о
5
1,1
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0
С
/
а,
II
III
Расстояние от поверхн
^V
IV
ости, мм
а
Рис.5.4. Распределение углерода в поверхностном слое стали (а) и мик-
роструктура слоя после медленного охлаждения (б): I - заэвтектоидная
зона; II - эвтектоидная зона; III — доэвтектоидная зона; IV - сердцеви-
на; V - граница, представляющая собой полуперлитную зону, а, - эф-
фективная толщина цементованного слоя, С0 - исходное содержание
углерода в стали
Содержание углерода на поверхности цементованной детали обычно со-
ставляет 0,8-1%, но для получения высокой контактной усталости может быть
повышено до 1,1-1,2%. При более высоком содержании углерода ухудшаются
механические свойства цементуемого изделия.
133
Окончательные свойства цементованных деталей достигаются в результа-
те термической обработки, проводимой после цементации. Целью термической
обработки является измельчение структуры, получение высокой твердости в
цементованном слое и повышение механических свойств стали в сердцевине
изделия.
В большинстве случаев термическая обработка состоит из закалки от 820-
850°С и низкотемпературного отпуска при 160-180°С. Иногда проводят двой-
ную закалку и отпуск: первую закалку от 880-900°С (выше Асз сердцевины) для
исправления структуры сердцевины, вторую закалку от 760-780°С для устране-
ния перегрева цементованного слоя и придания ему высокой твердости.
После термообработки поверхностный слой получает структуру, состоя-
щую из мелкоигольчатого мартенсита (рис.5.5) и остаточного аустенита (до 30-
50%). При низкотемпературном отпуске в поверхностном слое снимаются
внутренние напряжения и
мартенсит закалки перево-
дится в отпущенный мартенсит.
Поскольку в граничной
зоне (полуперлитной) содер-
жание углерода составляет
0,4%, то после термической
обработки твердость в этой
зоне составляет -HRC 50 и,
следовательно, в цементо-
ванном слое твердость долж-
на быть выше HRC 50.
В сердцевине изделия
после термической обработки структура в углеродистых сталях состоит из сор-
бита (или из сорбита и феррита), а в легированных - из низкоуглеродистого
мартенсита или нижнего бейнита. Такая структура обеспечивает высокую пла-
стичность и ударную вязкость, а также повышенные прочностные свойства
(особенно у легированных сталей). Для обеспечения такого сочетания свойств
твердость сердцевины должна составлять HRC 30-45 (у углеродистых сталей
не ниже HRC 30, у легированных не ниже HRC 35).
Рис.5.5. Микроструктура цементованного
слоя после закалки: Ээ - эффективная
толщина цементованного слоя
5.3.3. Азотирование стали
Азотированием называют процесс диффузионного насыщения поверхно-
стного слоя стали азотом. Азотирование сильно повышает твердость, износо-
стойкость и предел выносливости поверхностного слоя, а также сопротивление
коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар и др. Преимуществом азоти-
рованного слоя перед цементованным является не только его более высокая
твердость, но и способность сохранять ее при нагреве (теплостойкость) до бо-
лее высоких температур. Теплостойкость азотированного слоя составляет 450-
500°С, а цементованного - лишь 200-225°С. К недостаткам азотирования отно-
134
сятся низкая скорость насыщения и повышенная хрупкость азотированного
слоя.
Поскольку твердость при азотировании обеспечивается формирующейся
структурой диффузионного слоя с большим количеством высокотвердых дис-
персных нитридов, то после насыщения упрочняющая термическая обработка
не требуется. В этом случае термическая обработка проводится до азотирова-
ния и заключается в термическом улучшении при сквозной прокаливаемое™
изделий. Цель термической обработки - обеспечить высокий уровень механи-
ческих свойств (прочности, пластичности и ударной вязкости) по всему объему
изделия.
Газовое азотирование. Ведут в диссоциированном аммиаке. На обраба-
тываемой поверхности происходит диссоциация аммиака с образованием ионов
азота, которые адсорбируются поверхностью и диффундируют в глубь металла."
NH3-3H2 + 2NHO,„
NB0„ -+ [N]p
Различают два вида азотирования:
1) низкотемпературное (< 590оС); используется для упрочнения сталей и
чугунов при температурах ниже эвтектоидной на диаграмме Fe-N;
2) высокотемпературное (600-1200°С); применяется для упрочнения ста-
лей ферритяого и аустенитного классов, тугоплавких металлов (Ti, Mo, Nb, W)
и их сплавов.
Первый вид азотирования используется наиболее часто. Упрочнению
подвергают среднеуглеродистые (0,3-0,45%С) легированные стали 38Х2Ю,
38Х2МЮА, 30Х2Н2ВФА, 40ХНМА и др. Перед азотированием детали прохо-
дят термическую обработку (закалку и высокотемпературный отпуск), цель ко-
торой - получить вязкую сердцевину и подготовить структуру к азотированию.
Последующее упрочняющее азотирование при 520-560°С позволяет получить
слой 0,4-0,6 мм за 60-90 часов. По окончании насыщения детали охлаждаются в
среде аммиака до 20-200°С и обладают после этого требуемыми свойствами.
Поэтому после азотирования термическая обработка не требуется.
Микроструктура азотированного слоя различна при насыщении азотом
железа и специальной стали для азотирования (например, 38Х2МЮА). Из диа-
граммы состояния системы Fe-N (рис.5.6) видно, что при температуре азотиро-
вания выше эвтектоидной (591°С), например при 600°С, образуются последова-
тельно от поверхности к сердцевине следующие фазы:
е -*у' -+у ->а,
где е - нитрид Fe2.3N; у' - нитрид Fe4N; у - азотистый аустенит; а - азоти-
стый феррит.
135
Содержание азота, %
Рис.5.6. Диаграмма состояния Fe-N
При медленном понижении температуры фазы е- и а будут распадаться с
выделением избыточной фазы у', а /-фаза будет полностью распадаться на эв-
тектоид а +у'. В связи с такими превращениями микроструктура азотирован-
ного слоя при комнатной температуре будет состоять из следующих фаз (от по-
верхности к сердцевине) (рис.5.7):
e+f -*у' -* а+у' -* а
Рис.5.7. Микроструктура азотированного слоя железа, температура азоти-
рования 600°С, х 200
При азотировании стали 38Х2МЮА образуются легированные фазы е,
у'на; одновременно происходит образование нитридов легирующих элемен-
136
Рис.5.8. Микроструктура азотирован-
ного слоя стали 38Х2МЮА, х 500
тов (хрома, молибдена, алюминия). Резкого разфаничения между фазами не
наблюдается (рис.5.8).
На поверхности расположен
очень тонкий (0,01-0,03 мм) слой,
состоящий из смеси нитридных
фаз (с-фазы и нитридов легирую-
щих элементов), затем нетравя-
щийся белый слой, состоящий из
£-фазы или е+у'-фаз (до глубины
0,06-0,1 мм). Далее располагается
основная (серая) часть азотиро-
ванного слоя, имеющая сорбито-
образное строение и отличающая-
ся от обычной сорбитной структу-
ры тем, что травится более сильно
вследствие высокого содержания азота.
Твердость азотированного слоя на железе и углеродистых сталях невели-
ка (HV 300-350). Поэтому азотированию в основном подвергают среднеуглеро-
дистые стали, легированные Сг, Мо, V, А1, которые при азотировании приобре-
тают высокую твердость и износостойкость поверхностного слоя (например,
сталь 38Х2МЮА имеет твердость до 1200 HV). Молибден, кроме того, устра-
няет отпускную хрупкость, которая может возникнуть при медленном охлаж-
дении от температуры азотирования.
Иногда азотируют и углеродистые стали с целью повышения их коррози-
онной стойкости.
Технологический процесс изготовления изделий с азотированным слоем
состоит из нескольких операций:
1. Предварительная термическая обработка заготовки, состоящая из за-
калки и высокого отпуска (600-675°С) стали для получения повышенной проч-
ности и вязкости в сердцевине изделия. Структура стали после этого отпуска -
зернистый сорбит.
2. Механическая обработка деталей, включая шлифование, которое при-
дает окончательные размеры детали.
3. Защита участков, не подлежащих азотированию, нанесением тонкого
слоя олова электролитическим методом или жидкого стекла.
4. Азотирование.
5. Окончательное шлифование или доводка изделия.
Для ускорения процесс азотирования проводят в две стадии: сначала при
500-520°С, а затем при 540-560°С.
Ионное азотирование. Получило применение в последние годы. Его
проводят в тлеющем разряде в разреженной азотсодержащей атмосфере (NH3
или N) при подключении обрабатываемых деталей к отрицательному электроду
- катоду. Анодом является контейнер установки. Между катодом (деталью) и
анодом возбуждается тлеющий разряд. Ионы газа, бомбардируя поверхность
137
катода, нагревают ее до температуры насыщения. Температура азотирования
470-580сС, продолжительность процесса до 24 ч. Ионное азотирование сокра-
щает общую длительность процесса и позволяет получить диффузионный слой
регулируемого состава и строения.
Азотирование в жидких средах (тенифер-процесс). Проводят при тем-
пературе 570°С в течение 0,5-3,0 ч в расплавленных цианистых солях, через ко-
торые пропускают сухой воздух: На поверхности стали возникает тонкий
(7-15 мкм) карбонитридный слой, обладающий высоким сопротивлением изно-
су и не склонный к хрупкому разрушению. Ниже карбонитридного слоя распо-
лагается слой, состоящий из твердого раствора азота в or-железе и избыточных
кристаллов ^'-фазы. Общая толщина,слоя 0,15-0,5 мм. Достоинством процесса
является незначительное изменение размеров и отсутствие коробления деталей,
недостатком - токсичность и высокая стоимость цианистых солей.
53.4. Цианирование (нитроцементация) стали
Цианированием (нитроцементацией) называют процесс диффузионного
насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом.
Обычно различают процесс жидкостного насыщения (в расплавленных солях,
содержащих группу NaCN), называемый цианированием, и процесс насыщения
в газовой среде (состоящей из науглероживающего газа и аммиака), называе-
мый нитроцементацией.
Среднетемпературное цианирование. Применяют для упрочнения мел-
ких деталей с небольшой толщиной (0,15-0,35 мм) цианированного слоя. Про-
цесс ведут при температуре 820-860°С в ваннах (20-25% NaCN, 25-50 % NaCl и
25-50% Na2C03) с продувкой сухим воздухом. Продолжительность процесса со-
ставляет 30-90 мин. В процессе цианирования протекают следующие реакции:
2 NaCN + 02 -> 2 NaCNO;
2 NaCNO + 02-* Na2C03 + CO + 2 N„;
гСО-^СОг+С^;
N„.-»[N]p; C„-[C]„
Выделяющиеся атомарный азот и углерод диффундируют в сталь, обес-
печивая в планированном слое содержание 0,8-1,2 %N и 0,6-0,7 %С.
Закалка деталей проводится непосредственно из цианистой ванны. После
закалки следует низкотемпературный отпуск (180-200°С). Твердость цианиро-
ванного слоя после термической обработки HRC 58-62. Планированный слой
по сравнению с цементованным обладает более высокой износостойкостью и
эффективно повышает предел выносливости.
Высокотемпературное цианирование (930-950СС). Проводят для полу-
чения слоя большей толщины (0,5-2,0 мм) в ванне, содержащей 8% NaCN, 82 %
ВаС12 и 10% NaCl. Время выдержки изделий в ванне составляет 1,5-6 ч.
При цианировании протекают следующие реакции:
138
ВаС12 + 2 NaCN -» 2 NaCl + Ba(CN)2;.
Ba(CN)2 -♦ BaCN2 + Сэт;
BaCN2 + 02-> BaO + CO + 2 N„;
2СО-+С02 + Сэт;
C„-»[C]p; NaT-+[N]p.
При этом процессе сталь с поверхности в большей степени насыщается
углеродом (до 0,8-1,2%) и в меньшей - азотом (0,2-0,3%). После высокотемпе-
ратурного цианирования детали охлаждают на воздухе, а затем для измель-
чения зерна закаливают с напевом в соляной ванне или печи и подвергают
низкотемпературному отпуску.
Процесс цианирования по сравнению с процессом цементации требует
меньшего времени для получения слоя заданной толщины и более высокого со-
противления износу и коррозии.
Нитроцементации. Проводится при 840-870°С в среде, состоящей из на-
углероживающего газа и аммиака, в течение 4-10 ч. Рекомендуется использо-
вать контролируемую эндотермическую атмосферу с добавкой 1,5-5,5% необ-
работанного природного газа и 1-3,5% аммиака. После нитроцементации про-
водится закалка непосредственно из печи, а затем отпуск при 160-180°С. Твер-
дость после термообработки 58-60 HRC или 570-690 HV.
Толщина нитроцементованного слоя составляет обычно 0,2-1,0 мм.
Структура слоя состоит из мелкокристаллического мартенсита, мелких равно-
мерно распределенных карбонитридов и 30-50% остаточного аустенита.
Нитроцементацию применяют для обработки деталей сложной конфигу-
рации, например, на автомобильных и тракторных заводах.
5.3.5. Силицирование
Диффузионное насыщение поверхности стали кремнием называют сили-
цированием. Силицирование придает стали высокую коррозионную стойкость в
морской воде, в азотной, серной и соляной кислотах и несколько увеличивает
устойчивость против износа.
Силицированный слой отличается повышенной пористостью, толщина
его 0,3-1,0 мм. Несмотря на низкую твердость (200-300 HV), силицированный
слой обладает высокой износостойкостью после предварительной пропитки
маслом.
Силицированию подвергают детали, используемые в оборудовании хи-
мической, бумажной и нефтяной промышленности (валики насосов, трубопро-
воды, арматура, гайки, болты и т. д.).
5.3.6. Диффузионная металлизация
Поверхностное насыщение стали алюминием, хромом, цинком и другими
металлическими элементами называют диффузионной металлизацией. Прово-
дится с целью повышения жаростойкости, коррозионной стойкости, износо-
139
стойкости и твердости. Наиболее часто применяемыми процессами диффузи-
онной металлизации являются алитирование и хромирование.
Алитирование - насыщение поверхности стали алюминием. В результа-
те алитирования сталь приобретает высокую окалиностойкость (до 850-900°С),
хорошее сопротивление коррозии в атмосфере и морской воде.
Структура алитированного слоя представляет собой твердый раствор
алюминия в а-железе с содержанием алюминия до 30%. Толщина слоя 0,2-1,0
мм, твердость до 500 HV, износостойкость низкая. Алитированию подвергают
топливники газогенераторных машин, чехлы термопар, детали разливочных
ковшей, клапаны и другие детали, работающие при высоких температурах.
Хромирование - насыщение поверхности стальных изделий хромом.
Обеспечивает повышенную устойчивость стали к газовой коррозии (окалино-
стойкость) при температуре до 800°С, высокую коррозионную стойкость в во-
де, морской воде и азотной кислоте. Хромирование сталей, содержащих свыше
0,3-0,4%С, повышает также их твердость и износостойкость.
Диффузионный слой, получаемый при хромировании технического желе-
за, состоит из твердого раствора хрома в а-железе. Слой, полученный при хро-
мировании стали, содержащей 0,3% и более углерода, состоит из твердого рас-
твора хрома в а-железе и карбидов хрома. Твердость слоя, полученного хро-
мированием железа, 250-300 HV, а хромированием стали - 1200-1300 HV.
Хромирование используют для деталей паросилового оборудования, па-
роводяной арматуры, клапанов, вентилей, патрубков, а также деталей, рабо-
тающих на износ в агрессивных средах.
Изложенный в настоящей главе материал позволяет обоснованно подойти
к выбору способов упрочняющей обработки поверхностей деталей машин (хи-
мико-термической обработки, поверхностной термической обработки, дефор-
мационной и деформационно-термической обработки, лазерного или электро-
искрового поверхностного легирования и некоторых других), воспринимающих
внешние нагрузки при трении изнашивании.
140
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 5
1. Какие требования предъявляются к поверхностному слою нагружен-
ных и изнашиваемых деталей?
2. Для каких деталей рекомендуется поверхностная закалка?
3. Почему после поверхностной закалки повышается предел выносливо-
сти?
4. Какие существуют способы закалки с индукционным нагревом?
5. Какие преимущества имеет закалка ТВЧ по сравнению с объемной за-
калкой?
6. Каковы особенности и преимущества закалки при глубинном нагреве?
7. Какие стали используются при закалке ТВЧ? Что собой представляют
стали с регулируемой прокаливаемостью и в каких случаях они используются?
8. Каковы особенности лазерной закалки сталей и чугунов?
9. Какие основные процессы протекают при химико-термической обра-
ботке?
10. Что собой представляет коэффициент диффузии? Что такое энергия
активации и как она влияет на процесс диффузии?
11 .Что такое "эффективная толщина диффузионного слоя"?
12.Что собой представляет цементация стали и каково ее назначение?
13.Какие химические процессы протекают при цементации стали в твер-
дом карбюризаторе и при газовой цементации?
14. Какие стали применяют при изготовлении цементуемых деталей и по-
чему?
15.Какая термическая обработка проводится после цементации? Каковы
структура и твердость поверхностного слоя до и после термической обработки?
16.Как и с какой целью проводят азотирование стали? Какие стали целе-
сообразно использовать для азотирования? Что собой представляет технологи-
ческий процесс изготовления азотируемых деталей?
17.Какие стали применяют для азотирования и почему?
18.Каковы особенности и преимущества ионного азотирования? Что со-
бой представляет тенифер-процесс?
19. В каких случаях применяют нитроцементацию (цианирование)? Как
проводится жидкостное цианирование?
20. Что такое силицирование и в каких случаях его проводят?
21. Какие вы знаете процессы диффузионной металлизации?
141
ЧАСТЫН. МАТЕРИАЛЫ ОБЩЕГО
И ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Износостойкость соединений деталей машин во многом зависит от выбо-
ра материалов сопрягаемых деталей, в этой связи инженер-триботехник должен
иметь представление, как о материалах общего, так и триботехнического назна-
чения.
ГЛАВА 6. СТАЛИ И СПЛАВЫ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ
Из сталей и сплавов общего назначения изготовляются детали триботех-
нических устройств, как правило, негюдвергаемых процессам трения изнаши-
вания, но обеспечивающих прочностные свойства и работоспособность таких
устройств.
6.1. УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ
Основной продукцией черной металлургии является сталь, причем при-
близительно 90% изготовляется углеродистой стали и 10% легированной.
Углеродистая сталь промышленного производства - сложный по химиче-
скому составу сплав. Кроме основного компонента - железа, содержание кото-
рого может колебаться в пределах 97,0-99,5%, в ней имеется много элементов,
наличие которых обусловлено технологическими особенностями производства
(марганец, кремний) либо невозможностью полного удаления их из металла
(сера, фосфор, кислород, азот, водород), а также случайных примесей (хром,
никель, медь и др.).
В зависимости от способа выплавки (мартеновский, конвертерный и др.)
стали разных производств различаются по качеству, главным образом из-за
разного содержания этих примесей. Углеродистую сталь подразделяют на сталь
обыкновенного качества и качественную.
6.1.1. Влияние химического состава стали
Влияние углерода. Углерод сильно влияет на структуру и свойства ста-
ли. В доэвтектоидной стали, он увеличивает количества перлита в структуре,
что приводит к соответствующему повышению твердости, предела прочности,
предела текучести и понижению пластичности. В заэвтектоидных сталях при
содержании углерода более 0,9% прочностные свойства «% и оь,2 несколько
снижаются. Предел выносливости возрастает лишь до 0,55-0,65%С, а при
большем содержании углерода снижается. Углерод уменьшает ударную вяз-
кость стали и облегчает переход ее в хладноломкое состояние (0,1% С повыша-
ет порог хладноломкости t50 ~ на 20°С).
Влияние кремния и марганца. Эти элементы являются технологиче-
скими примесями. В хорошо раскисленной стали содержание кремния в качест-
ве примеси обычно не превышает 0,4%, а содержание марганца - 0,8%. Эти
элементы переходят в сталь в процессе ее раскисления.
142
Кремний, остающийся в стали, растворяется д феррите и сильно повыша-
ет предел текучести стали, снижая ее способность к холодной пластической
деформации.
Марганец заметно повышает прочность, практически не снижает пла-
стичность и резко уменьшает красноломкость стали, т. е. хрупкость при высо-
ких температурах, вызванную влиянием серы.
Влияние серы. Сера является вредной примесью. С железом она образу-
ет химическое соединение FeS, которое при температуре 988°С кристаллизует-
ся в виде легкоплавкой эвтектики Fe+FeS, располагающейся преимущественно
по границам зерен твердого раствора. При нагреве стали до температуры про-
катки или ковки (1000-1200°С) эвтектика расплавляется, вследствие чего при
деформации стали в местах ее расположения возникают надрывы и трещины.
Это явление носит название красноломкости.
Присутствие в стали марганца, обладающего большим сродством к сере,
чем железо, и образующего с серой тугоплавкое соединение MnS, практически
исключает явление красноломкости. В затвердевшей стали частицы MnS рас-
полагаются в виде отдельных включений.
Сернистые включения снижают ударную вязкость и пластичность в попе-
речном направлении вытяжки при прокатке и ковке, а также предел выносливо-
сти. Сера ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость. Содержание се-
ры в стали строго ограничивается; в зависимости от качества углеродистой ста-
ли оно не должно превышать 0,04-0,06%.
Влияние фосфора. Фосфор является вредной примесью, и содержание
его в зависимости от качества углеродистой стали допускается не более 0,04-
0,07%. Растворяясь в феррите, фосфор уменьшает пластичность и вязкость, по-
вышает порог хладноломкости стали Каждая 0,01% Р повышает порог хладно-
ломкости стали на 20-25°С.
Влияние азота, кислорода и водорода. Азот и кислород, образуя выде-
ления нитридов и оксидов по границам зерен, повышают порог хладноломкости
и понижают сопротивление хрупкому разрушению. Образующиеся неметалли-
ческие включения повышают анизотропию механических свойств и, являясь
концентраторами напряжений, могут значительно понизить предел выносливо-
сти и вязкость разрушения К/с-
Очень вредным является растворенный в стали водород. Он не только ох-
рупчивает сталь, но и приводит к образованию в катаных заготовках и крупных
поковках флокенов, представляющих собой очень тонкие трещины овальной
или округлой формы и резко ухудшающих свойства стали. Сталь с флокенами
использовать нельзя.
6.1.2. Стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-94)
Эти стали широко применяются в строительстве и машиностроении как
наиболее дешевые. В них допускается содержание серы до 0,05-0,06% и фосфо-
ра до 0,04-0,07%. Поставляются они в виде проката - сортового, фасонного,
листового, широкополосного (горячекатаного) и тонколистового (холодно-
катаного). Из них изготовляют трубы, поковки и штамповки, ленту, проволоку
143
и метизы. Эти стали подразделяю гея на три группы, поставляемые: А — по ме-
ханическим свойствам, Б - по химическому составу, В - по механическим
свойствам и химическому составу. Группа А в обозначении марки стали не ука-
зывается. Изготовляют стали следующих марок: группа А - СтО-Стб; группа Б
- БСтО-БСтб; группа В — ВСт1-ВСт5. Сталь всех групп с номерами марок 1-4
изготовляют кипящей (кп), полуспокойной (пс) и спокойной (сп); с номерами 5
и 6 - полуспокойной и спокойной. Полуспокойная сталь с номерами марок 1-5
производится как с обычным, так и с повышенным содержанием марганца. В
зависимости от нормируемых показателей (механических свойств, химического
состава) стали делятся на категории: группа А - 1, 2, 3; группа Б - 1, 2; группа
В - 1-6. Содержание углерода в них составляет: СтО - до 0,23%, Ст1 - 0,06-
0,12%, Ст2 - 0,09-0,15%, СтЗ - 0,14-0,22%, Ст4 - 0,18-0,27%, Ст5 - 0,28-0,37%,
Стб - 0,38-0,49%. Свойства сталей группы А приведены в табл. 6.1.
Таблица 6.1
Механические свойства сталей обыкновенного качества группы А
Марка
стали
СтО
Ст1кп
Ст1пс, сп
Ст2кп
Ст2пс, сп
СтЗкп
<*ол
Од
МПа
-
-
-
190-220
200-230
200-240
310
310-400
320-420
330-420
340-440
370-470
д,%
23-20
35-32
34-31
33-30
32-29
27-24
Марка
стали
СтЗпс, сп
Ст4кп
Ст4пс, сп
Ст5пс, сп
Ст5Гпс
Стбпс, сп
Obj
<Гв
МПа
210-250
230-260
240-270
260-290
260-290
300-320
380-КЮ
410-520
420-540
500-640
460-600
600
д,%
26-23
25-22
24-21
20-17
20-17
22-15
Углеродистые стали обыкновенного качества используют для изготовле-
ния различных металлоконструкций и слабонагруженных деталей машин и
приборов. Их применяют в строительстве в железобетонных конструкциях, при
изготовлении сварных ферм, рам. Среднеуглеродистые стали Ст5 и Стб исполь-
зуют для изготовления рельсов, железнодорожных колес, валов, шкивов, шес-
терен и других деталей грузоподъемных и сельскохозяйственных машин. Неко-
торые детали из этих сталей групп Б и В подвергаются термической обработке
(нормализации или улучшению).
Недостатками сталей обыкновенного качества являются невысокие проч-
ностные свойства и низкая хладостойкость.
6.13. Углеродистые качественные стали (ГОСТ 1050-88)
В этих сталях более жестко ограничено содержание вредных примесей:
До 0,04% S и до 0,035-0,04% Р. Качественные углеродистые стали маркируют
числами 08, 10Д5...85, которые указывают среднее содержание углерода в со-
тых долях процента.
Низкоуглеродистые стали 08, 08кп, 10, Юкп обладают небольшой проч-
ностью и высокой пластичностью. Применяют их без термической обработки
Для малонагруженных деталей машин (прокладки, шайбы, капоты тракторов,
\ змеевики и др.), элементов сварных конструкций, для холодной штамповки.
144
Стали 15, 20, 25 применяют без термической обработки или в нормализованном
виде для цементуемых деталей, работающих на изнашивание и не испытываю-
щих высоких нагрузок (кулачковые валики, рычаги, оси, втулки, шпиндели,
вилки и валики переключения передач, толкатели клапанов, пальцы рессор и
др.). Эти стали используют и для ответственных сварных конструкций.
Среднеуглеродистые стали 30-50 применяют после нормализации, улуч-
шения и поверхностной закалки для разнообразных деталей машин (распреде-
лительные валы, шпиндели, фрикционные диски, штоки, траверсы, плунжеры и
т.д.).
Стали 60-85 обладают высокой прочностью, износостойкостью и упруги-
ми свойствами; применяются они после закалки и отпуска, нормализации и от-
пуска или поверхностной закалки для деталей, работающих в условиях трения
при повышенных статических и знакопеременных нагрузках (пружины, рессо-
ры, шпиндели, замковые шайбы и т. д.).
Одним из основных недостатков углеродистых сталей является низкая
прокаливаемость. Поэтому такие стали применяют для небольших деталей или
деталей, не требующих сквозной прокаливаемое™.
6.2. ЛЕГИРОВАННЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ ОБЩЕГО
НАЗНАЧЕНИЯ
Легированные стали обладают лучшими механическими свойствами по-
сле термической обработки (особенно в изделиях крупных сечений), более вы-
сокой прокаливаемостыо, имеют дисперсную структуру. Эти стали более тех-
нологичны при термической обработке (при закалке их охлаждают в масле или
на воздухе). Легирующие элементы повышают устойчивость мартенсита про-
тив отпуска и задерживают коагуляцию карбидов. Это приводит к повышению
теплостойкости стали.
Рациональное легирование сталей обеспечивает и необходимый уровень
специальных свойств: окалиностойкости, жаропрочности, коррозионной стой-
кости, износостойкости и др.
6.2.1. Легирование сталей
Легирующими называют элементы, специально вводимые в сталь для по-
вышения ее свойств. Легирующие элементы подразделяют по их влиянию на
структуру на элементы-ферритизаторы (Al, Si, Cr, Мо и др.) и элементы-
аустенитизаторы (Mn, Ni, Си, N и др.), карбидообразующие (Cr, V, Ti, Mn, W,
Мо и др.) и некарбидообразующие или графитизирующие (Si, Al, Cu, Ni). Вы-
деляют также группу элементов, повышающих устойчивость перлитной струк-
туры (Mn, Ni, Cu, Сг и др.).
При маркировке сталей легирующие элементы обозначают следующими
буквами: А - азот, Б - ниобий, В - вольфрам, Г - марганец, Д - медь, Е - селен,
К - кобальт, Н - никель, М - молибден, П - фосфор, Р - бор, С - кремний, Т -
титан, Ф - ванадий, X - хром, Ц - цирконий, Ч - редкоземельные элементы, Ю
145
— алюминий. Цифры после букв указывают примерное содержание соответст-
вующего элемента в целых процентах; отсутствие цифры означает, что оно со-
ставляет ~ 1-1,5% и менее. Легированные стали выплавляют качественными
(до 0,035% Р и до 0,035% S) или высококачественными (до 0,025% Р и до
0,025% S). Высококачественные стали обозначают буквой А в конце марки.
Примерами марок качественных сталей могут служить стали 20Х, 12ХН2,
18ХГТ, 40X11 и др. К высококачественным относятся стали 12Х2Н4А, ЗОХМА,
38Х2МЮАидр.
Влияние углерода и легирующих элементов на некоторые характеристики
сталей показано в табл.6.2.
Таблица 6.2
Влияние элементов на свойства сталей
Характеристики
сталей
Прочность
Хладостойкость
Прокаливае-
мость
Склонность к
перегреву
Склонность к
обезуглерожива-
нию
Склонность к
графитизации
Стоимость
Элементы
Мп
Т
Т
Т
1
i
_L_
Si
т
1
т
1
тт
тт
т
Сг
т
т
т
-
11
ц
т
Ni
т
т
т
-
т
т
тт
W,
Мо
тт
т
тт
1
1
1
ттт
ТЬУдо
0,2%
т .
т
i
11
1
-
т.
В, до
0,01%
т
11
ттт
1
1
т
v,>
0,2%
тт
U
т
11
И
И
тт
С
т
1
т
1
т
тт
-
Примечание. В таблице приняты следующие обозначения: | - повышает, || -
сильно повышает, Iff - очень сильно повышает, \, - понижает, Ц - сильно
понижает, - - практически не влияет, Ц - двойственный характер влияния.
Сильное влияние на повышение прочностных свойств и прокаливаемости
оказывают комплексы Cr + Ni, Сг + Ni + Мо, Сг + Mn + Si и др. Дополнитель-
ное использование в комплексах небольших количеств ванадия, ниобия или ти-
тана обеспечивает получение более мелкой структуры и повышение механиче-
ских свойств стали. Высокое легирование стали комплексами Сг + А1, Сг + А1 +
Si придает ей повышенную окалиностойкость. Получение в сталях однофазной
структуры за счет высокого легирования элементами-ферритизаторами (Сг, Si,
Al, Мо) или элементами-аустенитизаторами (Ni, Mri или сочетания Ni + Cr, Mn
+ Ni + Сг, Mn +Ni + Cr +Ti и др.) обеспечивает их высокую антикоррозионную
стойкость (нержавеющие стали).
146
6.2.2. Стали для деталей с повышенной твердостью поверхности
при вязкой сердцевине
Данную группу сталей подразделяют на цементуемые, нитроцементуе-
мые, азотируемые и упрочняемые поверхностной закалкой (в основном закал-
кой ТВЧ). К цементуемым и нитроцементуемым относятся низко- и среднеле-
гированные стали с содержанием углерода 0,1-0,3% (15Х, 20Х, 15ХФ, 18ХГТ,
20ХР, 25ХГТ, 30ХГТ, 20ХН, 25 ХГМ, 12ХНЗА, 20Х2Н4А и др. по ГОСТ 4543-
71). После химико-термической обработки, закалки и низкотемпературного от-
пуска они обеспечивают в деталях высокую поверхностную твердость (58-62
HRC) при вязкой, но достаточно прочной сердцевине (оь - 700-1500 МПа, 5 =
10-12%, KCU = 0,6-1,0 МДж/м2, 35-45 HRC).
Карбидо- и нитридообразующие элементы (Сг, Мп, Мо и др.) в этих ста-
лях способствуют повышению прокаливаемости, поверхностной твердости, из-
носостойкости и контактной выносливости. Никель повышает вязкость и сни-
жает порог хладноломкости стали. Легирование ванадием, титаном, ниобием,
алюминием приводит к образованию дисперсных нитридов, карбидов или кар-
бонитридов и способствует измельчению структуры. Бор повышает прокали-
ваемость стали, но снижает ее вязкость и пластичность. Этот недостаток ком-
пенсируется дополнительным введением в сталь l%Ni (сталь 20ХГНР). Вольф-
рам и молибден повышают прокаливаемость, твердость поверхностного слоя и
предел выносливости сталей.
Цементации и нитроцементации подвергают различные детали: шестер-
ни, зубчатые колеса, червяки, оси, рычаги переключений и др. Нитроцемента-
ции подвергают подшипники качения, мерительный, калибрующий и режущий
инструмент.
Для азотирования наиболее широко используются стали 38Х2Ю и
38Х2МЮА. Механические свойства этих сталей приведены в табл. 6.3 (до азо-
тирования) и в табл. 6.4 (после азотирования). Азотирование существенно
влияет на свойства этих сталей. Особенно заметно возрастает предел выносли-
вости а., (до азотирования он составляет 450-480 МПа).
Сталь 38Х2Ю применяется для трущихся деталей приборов, деталей
вспомогательных узлов машин и приспособлений (копиры, плунжеры, направ-
ляющие втулки кондукторов, валики водяных насосов).
Таблица 6.3
Термическая обработка и свойства азотируемых сталей
Сталь
38Х2Ю
38Х2МЮА
Температура, °С
закалки
930
940
отпуска
630
640
Механические свойства
oiu Оь
МПа
750
850
900
1000
S уг
%
10
14
45
50
кси,
Дж/см2
80
90
Твердость
НВ после
отжига
до 229
до 229
147
Таблица 6.4
Свойства сталей после азотирования
Сталь
38Х2Ю
38Х2МЮА
Oba
ОЬ
МПа
800
900
950
1050
S,
%
12
18
кси
Дж/см2
80
90
МПа
600
630
Твердость
НВ
сердце-
вины
260
269
HV
поверхно-
сти
800-1000
850-1050
Применение стали 38Х2МЮА: ответственные детали турбин и двигате-
лей (штоки клапанов, гильзы цилиндров, рессоры, втулки, толкатели игл фор-
сунок, тарелки букс, распылители, пальцы, распределительные валики, зубча-
тые колеса, шпиндели), детали точного машиностроения и приборостроения, от
которых требуются большая поверхностная твердость, износостойкость и по-
вышенный предел выносливости.
Стали, упрочняемые поверхностной закалкой, чаще всего содержат 0,4-
1,0% С. Для поверхностной закалки ТВЧ в основном применяются стали 40, 45
и 40Х с целью обеспечения высокой контактной прочности и износостойкости
деталей.
Под объемно-поверхностную закалку (при глубинном индукционном на-
греве) используют стали с регламентируемой прокаливаемостью 551111, 47ГТ,
ШХ4РП. Этот метод обеспечивает более высокую конструктивную прочность.
Его применяют для тяжело нагруженных деталей, подвергаемых высоким изги-
бающим, крутящим и контактным нагрузкам, а также для деталей сложной
формы (зубчатых колес, крестовин, деталей подшипников качения). После глу-
бинного индукционного нагрева и интенсивного охлаждения образуется твер-
дый (~ 60 HRC) и прочный поверхностный слой и упрочненная сердцевина (30-
40HRC).
Сталь 55ПП (сталь 58) (ГОСТ 1050-88) применяется для деталей с тонким
сечением рабочего элемента и глубиной закаленного слоя 1,5-2,5 мм (тяжело
нагруженные зубчатые колеса, трубчатые втулки, поршневые пальцы и др.).
Сталь 47ГТ (ТУ 14-105-233-78) применяется для валов и осей диаметром
40-60 мм, в том числе автомобильных осей с глубиной закаленного слоя 5-7 мм.
Сталь ШХ4РП (ГОСТ 801-78) применяется для колец, роликов и шариков
тяжелонагруженных подшипников качения с толщиной 12-20 мм и глубиной
закаленного слоя 2,5-3,5 мм.
Стали 40 и 45 применяются для коленчатых и распределительных валов
тракторов (с закалкой ТВЧ опорных шеек до 54-62 HRC), для полуосей грузо-
вых автомобилей ГАЗ, кулачков и зубчатых колес с умеренной контактной
прочностью.
148
6.2.3. Стали с высокой конструктивной прочностью по всему
сечению изделия
Для изделий из таких сталей характерными являются сквозная прокали-
ваемость, высокие значения предела прочности и предела выносливости, удар-
ной вязкости и некоторых других характеристик. Высокие значения прочност-
ных свойств и ударной вязкости обеспечиваются термическим улучшением (за-
калкой от 820-880°С и отпуском при 550-680°С). Улучшаемые углеродистые
стали содержат 0,3-0,5%С, легированные - 0,2-0,5%С. Углеродистые стали 30-
50 целесообразно использовать для деталей небольшого сечения (до 15-20 мм).
Для более крупных деталей используют легированные стали, а их закалку про-
водят в масле.
Улучшаемые легированные стали (ГОСТ 4543-71) подразделяют по хи-
мическому составу на хромистые (30Х-50Х, 38ХА), хромомарганцевые (напри-
мер, 40ХГ), хромокремнемарганцевые (хромансилы 20ХГС, 25ХГС, 30ХГС,
ЗОХГСНА, ЗОХГСНМА), хромоникелевые (40ХН, ЗОХНЗА), хромоникелевые с
молибденом и ванадием (40ХН2МА, 36Х2Н2МФА, 38ХНЗМФА) и другие
(40ХС, ЗОХМ, 40ГТР, 40ХФА и т.д.). Повышенной прокаливаемостью отлича-
ются стали с бором (40ХР, 40ХГР, 40ХГТР) (табл. 6.5).
Таблица 6.5
Механические свойства некоторых легированных улучшаемых сталей
Марка
стали
30ХГСА
30ХМА
ЗОХНЗА
40Х
40ХР
40ХГТР
40ХН
40ХНР
40ХФА
40ХНМА
45ХН2МФА
Свойства
ОЬ,2
0»
МПа
S
¥
%
KCU,
Дж/см2
не менее
850
750
800
800
800
800
8оа
800
750
900
1300
1100
950
1000
1000
1000
1000
1000
1000
900
1050
1450
10
12
10
10
12
11
11
10
10
12
7
45
50
50
45
50
45
45
45
50
50
35
50
90
80
60
90
80
70
90
90
90
40
Твердость НВ
после
отжи-
га, не
более
229
229
241
217
229
229
207
277
241
269
269
после
улуч-
шения
248-321
248-321
255-321
248-293
248-302
248-302
235-277
293-331
262-321
293-331
до 415
Порог
хладно-
ломкости,
°С
/в
20
-
-40
0
10
40
-30
0
0
-40
-
tn
-60
-
-120
-100
-70
-60
-100
-80
-100
-120
-
Применяются легированные улучшаемые стали для изготовления тяже-
лонагруженных и ответственных деталей машин, как, например, коленчатые
149
валы, фрикционные диски, неазотируемые гильзы цилиндров, шатунные болты
и гайки; впускные клапаны, коромысла клапанов (стали 40Х и 38ХА), тормоз-
ные ленты моторов, фланцы, корпуса, обшивки, лопасти компрессорных ма-
шин, рычаги, толкатели, детали сварных конструкций, работающие при знако-
переменных нагрузках (30ХГС и другие хромансилы), шатуны, зубчатые коле-
са, валы экскаваторов, муфты, рычаги и другие ответственные детали, подвер-
гающиеся вибрационным и динамическим нагрузкам (сталь 40ХН), торсионные
валы, гребные винты, роторы турбин (стали 45ХН2МФА и 36Х2Н2МФА) и др.
6.2.4. Литейные стали
Маркировка, химические составы и регламентируемые механические
свойства сталей приведены в ГОСТ 977-88 (на углеродистые и легированные
стали) и ГОСТ 2176-77 (на высоколегированные стали со специальными свой-
ствами). По назначению литейные стали подразделяют на три группы: 1 - для
отливок общего назначения, 2 - для отливок ответственного назначения, 3 - для
отливок особо ответственного назначения. В отливках из сталей группы 1 кон-
тролируются внешний вид, размеры и химический состав. Для сталей группы 2
регламентируются также прочностные свойства и относительное удлинение, а
для сталей группы 3-й ударная вязкость. Сортамент отливок регламентирован
ГОСТ 2009-83 и ГОСТ 3212-92.
Углеродистые конструкционные стали для отливок подразделяются на
марки: 15Л, 20Л...55Л. Число показывает содержание углерода в сотых долях
процента. Маркировка легированных литейных сталей аналогична маркировке
качественных деформируемых сталей, но с буквой Л в конце марки (например,
35ГЛ, 30ГСЛ, 08ГДНФЛ). Отливки из углеродистых и легированных сталей
подвергают термической обработке - нормализации с отпуском или закалке с
отпуском.
По прочностным свойствам литейные стали близки к деформируемым, но
уступают последним по ударной вязкости.
Из литых сталей изготовляют детали, подвергающиеся ударным нагруз-
кам (захваты, блоки, ролики, копровые бабы), детали сварно-литых конструк-
ций (стали 15Л, 20Л); ответственные детали автосцепки (стали 20Л, 20ГЛ,
20ГТЛ); корпуса подшипников, средненагруженные зубчатые колеса, оси, валы
(сталь 25Л); рычаги, балансиры, корпуса редукторов, шкивы, кронштейны, бан-
дажи, маховики (сталь ЗОЛ); корпуса и обоймы турбомашин, вилки, крон-
штейны и др. (сталь 35Л); стаканы, корпуса, муфты, тормозные диски, шестер-
ни, кожухи, вилки, звездочки, храповики, клинья, детали лебедки (стали 40Л и
45Л); шестерни, бегунки, колеса, зубчатые венцы, валы, кулачковые муфты,
крестовины, детали экскаваторов и дробильно-размольного оборудования (ста-
ли 35ГЛ, 30ХГСДЛ, 35ХГСДЛ, 35ХМЛ, 40ХЛ); различные детали для судо-
строения (стали 08ГДНФЛ, 13НДФГЛ, 12ДН1МФЛ); детали дробильно-
размольного оборудования, трамвайные и железнодорожные стрелки и кресто-
вины, гусеничные траки, зубья ковшей экскаваторов (сталь 110Г13Л).
150
6.2.5. Рессорно-пружинные стали общего назначения
Рессорно-пружинные углеродистые и легированные стали применяются
для изготовления жестких (силовых.) упругих элементов. Недорогие и доста-
точно технологичные рессорно-пружинные стали широко используют в авто- и
тракторостроении, железнодорожном транспорте, станкостроении. Кроме того,
они находят применение и для силовых упругих элементов приборов. Часто эти
материалы называют пружинными сталями общего назначения.
Для обеспечения работоспособности силовых упругих элементов рессор-
но-пружинные стали должны иметь высокие пределы упругости, выносливости
и релаксационную стойкость. Этим требованиям удовлетворяют стали с по-
вышенным содержанием углерода (0,5-0,7%), которые подвергают закалке и
отпуску при температуре 420-520°С.
Закаленная на мартенсит сталь имеет невысокий предел упругости. Он
заметно повышается при отпуске, когда образуется структура троостита отпус-
ка. В этой структуре феррит из-за сильного фазового наклепа имеет высокую
плотность малоподвижных дислокаций, блокированных дисперсными карбид-
ными частицами.
Кроме высоких упругих свойств отпуск на троостит обеспечивает повы-
шение пластичности и вязкости (особенно в сталях, не склонных к отпускной
хрупкости), что важно для увеличения предела выносливости.
Хорошие результаты дает также изотермическая закалка на структуру
нижнего бейнита, обеспечивающего высокие механические свойства при малой
деформации изделий.
Небольшие пружины простой формы изготовляют из стали, поставляемой
в термически обработанном состоянии. Для крупных пружин, требующих
больших усилий при навивке, сталь используют в отожженном состоянии. Тер-
мической обработке подвергают готовые изделия, полученные горячей навив-
кой или штамповкой.
Сталь для рессор поставляют в виде полосы. Нарезанные из нее заготовки
закаливают в специальных штампах, затем отпускают и собирают в виде пакета.
Углеродистые стали 65, 70, 75, 80, 85 и стали с марганцем 60Г, 65Г, 70Г
(по ГОСТ 1050-88), имеют невысокую релаксационную стойкость, особенно
при нагреве. Они непригодны для работы при температуре выше 100°С. Из-за
низкой прокаливаемое™ они используются лишь для изготовления пружин не-
большого сечения.
Легированные рессорно-пружинные стали (ГОСТ 14959-79) относятся к
перлитному классу. Основными легирующими элементами в них являются
кремний (1-3%) и марганец (~1 %), а в сталях более ответственного назначения
- хром (-1%), ванадий (-0,15%) и никель (<1,7%). Легирование (за ис-
ключением кремния и марганца) мало влияет на предел упругости. Более суще-
ственно оно проявляется в повышении прокаливаемости, релаксационной стой-
кости, предела выносливости. В связи с этим легированные стали предназначе-
ны для больших по размеру упругих элементов и обеспечивают их более дли-
тельную и надежную работу.
151
Дешевые кремнистые стали 55С2, 60С2, 70СЗА применяют для пружин и
рессор толщиной до 18 мм. Эти стали стойки к росту зерна при нагреве под за-
калку, но склонны к обезуглероживанию, снижающему предел выносливости. В
кремнемарганцевой стали 60СГА этот недостаток выражен менее сильно. Ее
преимущественно применяют для рессор толщиной до 14 мм.
Стали 50ХФА, 50ХГФА, которые по сравнению с кремнистыми и крем-
немарганцевой сталями подвергают более высокому нагреву при отпуске
(520°С), обладают повышенной теплостойкостью и вязкостью, меньшей чувст-
вительностью к надрезу. Они предназначены для рессор легковых автомобилей,
клапанных и других пружин ответственного назначения, которые могут рабо-
тать при температурах до 300°С.
Стали 60С2ХА и 60С2Н2А прокаливаются в сечениях соответственно до
50 и 80 мм и применяются для крупных тяжелонагруженных и особо ответ-
ственных пружин и рессор. Механические свойства сталей определяются со-
держанием углерода и температурой отпуска. Отпуск проводят при температу-
ре несколько более высокой, чем та, которая отвечает максимальному пределу
упругости, что необходимо для повышения пластичности и вязкости.
Наиболее высокие механические свойства имеют стали 70СЗ А, 60С2ХА и
60С2Н2А: ов >1800 МПа; о0.2 >1600 МПа; 5 >5%; у >20%. Предел упругости
составляет о0,аг = 880-1150 МПа, а твердость 38-48 HRC. При такой прочности и
твердости стали чувствительны к концентраторам напряжений, поэтому на
предел выносливости большое влияние оказывает состояние поверхности. При
отсутствии поверхностных дефектов (обезуглероживания, окалины, грубых ри-
сок и т.д.) предел выносливости сталей при изгибе не ниже 500 МПа, а при кру-
чении - 300 МПа. Для уменьшения чувствительности к концентраторам напря-
жений готовые пружины и листы рессор подвергают поверхностному дробест-
руйному наклепу, после чего предел выносливости увеличивается в 1,5-2 раза.
63. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ
Инструментальными называют стали, обладающие высокой твердостью
(60-65 HRC), прочностью и износостойкостью и применяемые для изготовле-
ния различного инструмента. Обычно это заэвтектоидные или карбидные стали,
структура которых после закалки и низкого отпуска состоит из мартенсита и
избыточных карбидов.
6.3.1. Классификация и маркировка инструментальных сталей
Для инструмента, требующего повышенной вязкости, например для
штампов горячего деформирования, применяют доэвтектоидиые стали, которые
после закалки на мартенсит подвергают отпуску при более высокой температу-
ре для получения структуры троостита или тростосорбита. Износостойкость и
■твердость этих сталей ниже, чем заэвтектоидных.
Одной из главных характеристик инструментальных сталей является теп-
лостойкость (или красностойкость), т.е. способность сохранять высокую твер-
дость при нагреве (устойчивость против отпуска при нагреве инструмента в
152
процессе работы). Теплостойкость определяется температурой начала резкого
падения твердости. По теплостойкости все инструментальные стали подразде-
ляют на три группы: не обладающие теплостойкостью углеродистые и легиро-
ванные стали, содержащие до 3-4% легирующих элементов (теплостойкость до
200-250°С), полутеплостойкие, содержащие свыше 0,6-0,7%С и 4-18%Сг (до
400-500°С) и теплостойкие - высоколегированные стали карбидного класса, со-
держащие Cr, W, V, Мо, Со, получившие название быстрорежуи(их (до 550-
650°С).
Другой важной характеристикой инструментальных сталей является про-
каливаемость. Высоколегированные теплостойкие и полутеплостойкие стали
обладают высокой прокаливаемостью, углеродистые стали отличаются не-
большой прокаливаемостью, легированные стали имеют повышенную прока-
ливаемость.
Углеродистые инструментальные стали маркируют буквой "У"; следую-
щее за ней число (У7, У8, У9, У10 и т. д.) показывает среднее содержание угле-
рода в десятых долях процента. Буква "А" в конце марки (например, У10А)
указывает, что сталь высококачественная. Легированные инструментальные
стали X, 9Х, 9ХС, 6ХВГ и т. д. маркируют числом, показывающим среднее со-
держание углерода в десятых долях процента, если его содержание меньше или
больше 1%. Если содержание углерода -1%, то число чаще отсутствует. Буквы
означают легирующие элементы, а следующие за ними числа - содержание (в
целых процентах) соответствующего легирующего элемента.
Быстрорежущие стали маркируют буквой "Р". Следующее за ней число
указывает среднее содержание главного легирующего элемента быстрорежу-
щей стали - вольфрама (в процентах). Другие легирующие элементы обознача-
ют так же, как и в маркировке конструкционных сталей.
6.3.2. Нетеплостойкие стали для режущего инструмента
Стали для режущего инструмента после закалки и низкого отпуска долж-
ны иметь высокую твердость в режущей кромке (62-68 HRC), значительно пре-
вышающую твердость обрабатываемого материала; высокую износостойкость,
необходимую для сохранения размеров и формы режущей кромки при резании;
достаточную прочность при некоторой вязкости для предупреждения поломки
инструмента в процессе работы.
Углеродистые стали (ГОСТ 1435-99) У8 (У8А), У10 (У10А), У11
(У 11 А), У12 (У 12А) и У13 (У13А) отличаются небольшой прокаливаемостью и
не обладают теплостойкостью. Эти стали применяют для инструментов не-
больших размеров. Для режущего инструмента (фрезы, зенкеры, сверла, шабе-
ры, ножовки ручные, напильники, бритвы, хирургический инструмент и т.д.)
обычно используют заэвтектоидные стали У10-У13, имеющие после термиче-
ской обработки мартенситно-карбидную структуру. Деревообрабатывающий
инструмент, зубила, кернеры, бородки, отвертки, топоры изготовляют из ста-
лей У7 и У8, имеющих после термической обработки трооститную структуру.
153
Инструмент из углеродистых заэвтектоидных сталей подвергают непол-
ной закалке от 760-780°С в воде или водных растворах солей. Мелкий инстру-
мент из сталей У 10-У 12 для уменьшения деформации охлаждают в горячих
средах (ступенчатая закалка). Отпуск проводят при 150-170°С для сохранения
высокой твердости (62-63 HRC).
Сталь У7 закаливают от 800-82О°С и подвергают отпуску при 275-325°С
(48-58 HRC) или 400-500°С (44-48 HRC).
Легированные инструментальные стали повышенной прокаливаемости
(ГОСТ 5950-2000) пригодны только для резания материалов невысокой проч-
ности с небольшой скоростью (до 5-8 м/мин). Их используют для инструмента,
не подвергаемого в работе нагреву свыше 200-250°С. Инструменты из этих ста-
лей можно закаливать в масле и горячих средах (ступенчатая закалка), что
уменьшает деформацию и коробление инструмента. Низколегированные стали
11ХФ и 13Х можно использовать для инструментов диаметром до 15 мм, зака-
ливаемых в масле или горячих средах. Ванадий тормозит рост зерна при нагре-
ве под закалку.
Стали 9ХС и ХВСГ имеют теплостойкость 250-260°С, хорошие режущие
свойства и сравнительно мало деформируются при закалке. Их применяют для
инструмента большого сечения с закалкой в масле или горячих средах (ручные
сверла, развертки, плашки, гребенки). Однако сталь 9ХС склонна к обезуглеро-
живанию при нагреве, в отожженном состоянии имеет повышенную твердость,
что ухудшает ее обработку резанием и давлением.
Вольфрамовые стали В2Ф и ХВ4 после закалки в водных растворах име-
ют очень высокую твердость (64-65 HRC) и применяются для пил по металлу,
граверных инструментов и при обработке твердых металлов.
6.3.3. Быстрорежущие стали
Эти стали обладают высокой теплостойкостью и предназначены для изго-
товления режущего инструмента, работающего при повышенных скоростях ре-
зания. Они должны обладать рядом особых свойств:
- высокой:
- горячей твердостью (т.е. твердостью в горячем состоянии);
- теплостойкостью (или красностойкостью), т.е. способностью сохранять
достаточно длительное время высокую твердость и режущие свойства при
нагреве инструмента в процессе работы до высоких температур; .■■■/■
- прокаливаемостью, обеспечивающей возможность использования этих ста-
лей для изготовления массивного и сложного инструмента;
- малой:
- деформацией при закалке;
- хорошими технологическими свойствами (хорошей обрабатываемостью
резанием в отожженном состоянии, малой склонностью к перегреву и обез-
углероживанию при нагреве);
- достаточно высокими механическими свойствами, прежде всего, прочно-
стью и сопротивлением хрупкому разрушению.
154
Быстрорежущие стали сохраняют мартенситную структуру и соответст-
венно высокую твердость, прочность, износостойкость и режущие свойства при
нагреве до 600-620°С (т.е. имеют теплостойкость 600-620°С). Достигается это
за счет особого химического состава стали и специальной термической обра-
ботки инструмента.
Быстрорежущие стали относятся к группе сталей карбидного класса (на-
зываемых иногда ледебуритными). Содержание углерода в них составляет
обычно 0,7-1,0%, хотя в некоторых марках сталей повышено до 1,2-1,5%. Ос-
новным легирующим элементом в быстрорежущих сталях является вольфрам.
Во всех сталях этих марок присутствует также хром (около 4%) и ванадий (1,0-
2,5%). В некоторых сталях вольфрам частично заменен молибденом. В послед-
нее время разработаны и используются также безвольфрамовые стали с молиб-
деном. Для повышения теплостойкости и горячей твердости стали дополни-
тельно легируют кобальтом или повышенным количеством ванадия (так назы-
ваемые сверхбыстрорежущие стали).
В табл.6.6 приведены составы наиболее часто применяемых быстроре-
жущих сталей в соответствии с ГОСТ 19265-73.
Таблица 6.6
Марки и химические составы быстрорежущих сталей
Марки сталей
Р18
Р12
Р9
Р12ФЗ
Р9К5
Р6М5ФЗ
Р6М5К5
Р6М5Ф2К8
С
0,73-0,83
0,80-0,90
0,85-0,95
0,95-1,05
0,90-1,00
0,95-1,05
0,86-0,94
0,95-1,05
Содержание элементов
Сг
3,8-4,4
3,1-3,6
3,8-4,4
3,8-4,4
3,8-4,4
3,8-4,3
3,8-4,3
3,844
W
17-18,5
12-13
8,5-10
12-13
9-10
5,7-6,7
5,7-6,7
5,5-6,6
Мо
<1,0
<1,0
<1,0
<1,0
<1,0
4,8-5,3
4,8-53
4,6-5,2
%
V
1,0-1,4
1,5-1,9
2,0-2,6
2,5-3,0
2,3-2,7
2,3-2,7
1,7-2,1
1,8-2,4
Со
-
-
-
-
5-6
-
4,7-5,2
7,5-8,5
Рис.6.1. Микроструктура быстро-
режущей стали в литом состоянии
В литом состоянии структура бы-
строрежущих сталей состоит обычно из
перлита и сложной эвтектики, напоми-
нающей ледебурит и располагающейся в
виде сетки по границам зерен перлита
(рис.6.1).
Быстрорежущие стали обладают
хорошей прокаливаемостью, имеют не-
высокую критическую скорость закалки.
Поэтому их можно охлаждать в масле
(перлит и сложная эвтектика), х 100 mK Ю** в «^е воздуха. Для уменьше-
ния закалочных деформаций рекоменду-
155
ется ступенчатая закалка в солевых расплавах при 160-200°С.
Для разрушения сетки эвтектики и достижения равномерного распреде-
ления карбидов эти стали подвергают ковке и отжигу, после чего они получают
дисперсную сорбитно-карбидную структуру (рис.6.2, а).
Рис.6.2. Микроструктура быстрорежущей стали в термообработанном
состоянии, х 100: а - после ковки и отжига (сорбит и карбиды), б - по-
сле закалки (мартенсит, аустенит и карбиды), в - после ковки и трех-
кратного отпуска пои 560°С (мартенсит и карбиды)
ШО-1290
1210-1290
I 560
1ААА
Время, ч. .ад, а Время, ч.
а 6
Рис.6.3. Режимы термической обработки быстрорежущих сталей: а- с
трехкратным отпуском, б - с обработкой холодом
Для получения высоколегированного мартенсита инструмент из быстро-
режущей стали нагревают под закалку до высоких температур (обычно 1210-
1290°С). Во избежание образования трещин нагрев стали производят медленно,
чаще всего с одним-двумя подогревами (при 350-450 и 800-840°С).
Точка Мк для быстрорежущих сталей лежит при отрицательных темпера-
турах. Поэтому структура стали после закалки содержит большое количество
остаточного аустенита (25-30%) (рис.6.2, б), Для его устранения инструмент
после закалки подвергают многократному (чаще всего трехкратному) отпуску
(рис.6.3, а) или обработке холодом с последующим одно- или двукратным от-
пуском при 560°С (рис.6.3, б). Микроструктура стали после окончательной
термической обработки состоит из мартенсита отпуска и специальных карбидов
Fe3(W,Mo)3C, упрощенно обозначаемых как М«С, где М - металл (рис.6.2, в).
Перевод остаточного аустенита в мартенсит отпуска обеспечивает повы-
шение общей твердости стали на 2-3 единицы HRC (рис.6.4). Это явление по-
вышения твердости стали при отпуске называют вторичным твердением, а саму
термическую обработку инструмента - обработкой на вторичную твердость.
156
i
Перед изготовлением инструмента заготовка из быстрорежущей стали
должна быть хорошо отожжена. Обычно проводят изотермический отжиг:
сталь нагревают до 860-900°С, выдерживают, охлаждают до 750-700°С и вы-
держивают в этом интервале
температур до окончания пре-
вращения аустенита (обычно 1,5-
2 часа). После такого отжига
твердость вольфрамовых и
вольфрамомолибденовых сталей
должна составлять 207-255 НВ. У
сталей, дополнительно легиро-
ванных кобальтом или ванадием,
твердость после отжига может
быть повышенной до 269 НВ. В
плохо отожженной стали после
закалки наблюдается особый вид
брака, называемый нафталино-
вым изломом. Такая сталь при
нормальной твердости оказыва-
ется очень хрупкой, а ее излом -
грубозернистым, чешуйчатым,
напоминающим нафталин. Дру-
гим видом брака, зависящим от
предварительной обработки, является карбидная ликвация (карбидная неодно-
родность), представляющая собой остатки участков эвтектики, не разбитых
ковкой. Карбидная ликвация увеличивает хрупкость инструмента и понижает
его стойкость.
Рекомендуемые режимы термической обработки и свойства некоторых
быстрорежущих сталей приведены в табл.6.7.
Таблица 6.7
Термическая обработка и твердость некоторых быстрорежущих сталей
-|
/■ХА \
г \ ' 1
1 а-
\Ч»
\
\
О 100 200 ЭОО «И 500 000
Температура отпуска, 'С
Рис.6.4. Влияние температуры отпуска на
твердость закаленной стали Р18 (вторич-
ное твердение)
Марка
стали
Р18
Р12
Р9
Р6М5
Р6М5К5
Вид термической обработки
Отжиг
Тверд. НВ,
не более
255
255
255
255
269
Закалка
Температу-
ра, °С
1270-1290
1240-1260
1220- 1240
1210-1230
1210-1230
Колич.
Аосг.,%
-30
25-30
25-30
25-30
25-30
Твер-
дость,
HRC3
62-64
62-64
62-64
62-64
63-65
Отпуск*
Темпера-
тура, °С
560-580
550-570
550-570
550-560
560-580
Число
отпусков
3
3
3
2-3
3
Твер-
дость,
HRC3
64-66
64-66
64-66
64-66
67-68
Длительность каждого отпуска 60 минут.
157
6.3.4. Стали для измерительною инструмента
Измерительный инструмент (плитки, калибры, шаблоны) должен иметь
высокую твердость, износостойкость, сохранять постоянство размеров, хорошо
шлифоваться. Для изготовления такого инструмента обычно применяют высо-
коуглеродистые хромистые стали X (0,95-1,1%С и 1,3-1,65%Сг) и, 12X1(1,15-
1,25%С и 1,3-1,65%Сг). Инструмент подвергают закалке в масле с возможно
более низких температур (850-870°С) с целью получения минимального коли-
чества остаточного аустенита, так как при возможном частичном распаде, оста-
точного аустенита происходит изменение размеров инструмента. Поэтому ин-
струмент дополнительно подвергают обработке холодом при -70°С и отпуску
при 120-140°С в течение 20-50 часов. Иногда проводят многократную обработ-
ку холодом. Твердость после термообработки должна составлять 63-64 HRC.
Измерительные скобы, шкалы, линейки и другой плоский инструмент из-
готовляют из листовых цементуемых сталей 15 и 15Х.
6.3.5. Стали для штампового инструмента
Штампами называют инструменты, изменяющие форму материала без
снятия стружки. Стали для штампов должны обладать высоким сопротивле-
нием пластической деформации и износостойкостью, а при разогреве и повы-
шенной теплостойкостью. При больших размерах штампов стали должны иметь
высокую прокаливаемость и незначительно изменять свой объем при закалке.
Стали для штампов холодного деформирования. Применяют высоко-
хромистые стали (Х12Ф1, Х12М, 4ХВ2С, 5ХВ2С) с закалкой от 1100-1170°С и
последующим однократным или многократным отпуском. После закалки сталь
имеет твердость 42-54 HRC. Режимы отпуска выбирают в зависимости от на-
значения штампового инструмента.
Для штамповки легких металлов используют стали с вязкой сердцевиной
(невысокой прокаливаемости): У10, 11ХВ, 7ХГНМ и др. Для деформирования
более прочных металлов применяют полутеплостойкие стали, а для пуансонов,
работающих в условиях больших нагрузок, - быстрорежущие. Для вырубных и
отрезных штампов используют износостойкие стали с повышенным содержа-
нием карбидов (Х12ВМ, Х12Ф4М и др.).
Стали для слесарнс-монтажного инструмента должны обладать износо-
стойкостью, повышенной вязкостью и высоким сопротивлением смятию рабо-
чих кромок. Для гаечных ключей используют сталь 40ХВА, для молотков -
50ХФА, отверток - 50 и 50ХФ, плоскогубцев - У7, У8 или 7ХФН.
Стали для штампов горячего деформирования. К этим сталям предъ-
являются требования износостойкости, повышенного сопротивления пластиче-
ской деформации, теплостойкости и вязкости, высокой разгаростойкости, низ-
кого коэффициента теплового расширения, окалиностойкости, теплопроводно-
сти и прокаливаемости. Прокаливаемость особенно важна для крупных дета-
лей, например для ковочных молотовых штампов.
158
Для небольших штампов (до 200-300 мм) применяют стали 5ХНВ,
4ХСМФ; при средних размерах (300-400 мм) - 5ХНСВ, 5ХГМ; для более круп-
ных штампов - 5ХНМ, 27Х2НМФ и 30Х2НМФ.
Для небольших штампов рекомендуется твердость 40-44 HRC (так как
при большей твердости увеличивается разгар), для штампов средних размеров
- 36-41 HRC, а крупных - 35-38 IIRC. Хвостовую часть штампов следует обра-
батывать на более низкую твердость (33-37 HRC у мелких и 25-30 HRC у круп-
ных), чтобы обеспечить необходимую вязкость.
6.4. ЧУГУНЫ
Сплавы железа с углеродом (>2,14%С), в структуре которых содержится
эвтектика, называют чугунами. Присутствие эвтектики в структуре чугуна обу-
словливает его использование исключительно в качестве литейного сплава. Уг-
лерод в чугуне может находиться в виде цементита или графита или одновре-
менно в виде цементита и графита*. Цементит придает излому специфический
светлый блеск. Поэтому чугуны, в которых почти весь углерод находится в ви-
де цементита (кроме углерода в твердых растворах), называют белыми. Чугуны,
в структуре которых углерод в основном находится в свободном виде (в виде
графита), называют графитизированными. Существуют и промежуточные виды
чугунов, в структуре которых находятся и карбиды (в том числе и цементит), и
графит; такие чугуны называют половинчатглми, или частично графитизиро-
ванными.
6.4.1. Классификация чугунов
В зависимости от формы графита и условий его образования различают
следующие виды графитизированных чугунов: серые, высокопрочные и ковкие.
В серых чугунах графитные включения (в плоскости шлифа) имеют пластинча-
тую форму. Эти включения напыляют поверхность излома и придают ему се-
рый цвет, поэтому такой сплав называют серым чугуном с пластинчатым гра-
фитом. Серый чугун получают в результате естественной кристаллизации из
расплава определенного химического состава.
В высокопрочных чугунах графит имеет шаровидную форму (высо-
копрочный чугун с шаровидным графитом) или промежуточную форму между
шаровидной и пластинчатой {высокопрочный чугун с вермикуляр-ным
графитом). Высокопрочные чугуны получают путем внепечной обработки
(модифицирования) расплава с целью полной или частичной сфероидизации
графита.
В ковких чугунах графитные включения Тоже имеют компактную форму,
называемую хлопьевидной (ковкий чугун с хлопьевидным графи-том), но
получают такой графит в результате графитизирующего отжига белого
* В легированных чугунах могут находиться и другие фазы и структурные составляющие,
например карбиды легирующих элементов, комплексные карбиды, эвтектики и эвтектоиды с
этими карбидами и др.
159
доэвтектического чугуна (иногда такой графит называют "углеро-дом
отжига").
В половинчатых чугунах могут сочетаться карбиды различных видов и
графитные включения разной геометрической формы. Получать чугуны с такой
структурой можно как в результате естественной кристаллизации из расплава,
так и с помощью термической обработки отливок.
6.4.2. Серые чугуны с пластинчатым графитом (СЧ)
В основу стандартизации серого чугуна заложен принцип регламентиро-
вания минимально допустимого значения временного сопротивления разрыву
(предела прочности при растяжении) оь, определяемого в образцах, вырезан-
ных из стандартной пробной литой заготовки диаметром 30 мм. Серые чугуны
по ГОСТ 1412-85 маркируют буквами СЧ (серый чугун) и числом, указываю-
щим минимальное значение временного сопротивления (предела прочности при
растяжении) в кгс/мм2 (или —10"' МПа). Марки и механические свойства серого
чугуна в соответствии с ГОСТ 1412-85 приведены в табл.6.8.
Таблица 6.8
Механические свойства серых чугунов по ГОСТ 1412-85
Марка
чугуна
счоо
СЧ10
СЧ15
СЧ20
<тв, не менее
кгс/мм2 МПа
НВ
не регламентируется
10
15
20
98
147
196
143-192
163-212
170-229
Марка чу-
гуна
СЧ25
СЧЗО
СЧ35
СЧ40
ов, не менее
кгс/мм2
25
30
35
40
МПа
245
294
343
392
НВ
183-248
187-255
197-269
207-285
По структуре, свойствам и применению серые чугуны можно разделить
на несколько групп.
Ферритные и ферритно-перлитные чугуны СЧ 10 и СЧ 15 применяют
для малоответственных деталей, испытывающих в работе небольшие нагрузки,
с толщиной стенки отливки 10-30 мм. Так, чугун СЧ 10 используют для строи-
тельных колонн, фундаментных плит, а чугун СЧ 15 - для литых малонагру-
женных деталей сельскохозяйственных машин, станков, автомобилей и тракто-
ров, арматуры и т.д.
Перлитные чугуны СЧ 20, СЧ 25, СЧ 30, СЧ 35 применяют для ответст-
венных отливок (станин мощных станков и механизмов, поршней, цилиндров,
деталей, работающих на износ в условиях больших давлений, компрессоров,
арматуры, дизельных цилиндров, блоков двигателей, деталей металлургическо-
го оборудования и т.д.) с толщиной стенки до 60-100 мм. Структура этих чугу-
нов - мелкопластинчатый перлит (сорбит) с мелкими завихренными графитны-
ми включениями.Металлическая основа в сером чугуне обеспечивает наиболь-
шую прочность и износостойкость, если она имеет перлитную структуру. При-
сутствие в структуре феррита, не увеличивая пластичность и вязкость чугуна,
160
снижает его прочность и износостойкость. Наименьшей прочностью обладает
ферритный серый чугун.
Основной особенностью микроструктуры серого чугуна, определяющей
его физико-механические и эксплуатационные свойства, является наличие пла-
стинчатого графита. Пластинки графита уменьшают сопротивление отрыву,
временное сопротивление и особенно сильно пластичность чугуна. Отно-
сительное удлинение при растяжении серого чугуна независимо от свойств ме-
таллической основы практически равно нулю (-0,5%). Твердость чугуна 143-255 НВ.
Графитные включения мало влияют на снижение предела прочности при
сжатии и твердость, величина их определяется главным образом структурой
металлической основы чугуна. При сжатии чугун претерпевает значительные
деформации и разрушение имеет характер среза под углом 45°. Разрушающая
нагрузка при сжатии в зависимости от качества чугуна и его структуры в 3-5
раз больше, чем при растяжении. Поэтому чугун рекомендуется использовать
преимущественно для изделий, работающих на сжатие.
Пластинки графита менее значительно, чем при растяжении, снижают
прочность и при изгибе, так как часть изделия испытывает сжимающие напря-
жения. Предел прочности при изгибе имеет промежуточное значение между
пределом прочности на растяжение и на сжатие.
Чем больше толщина стенок отливки, тем ниже механические свойства
чугуна.
Вместе с тем из-за содержания пластинчатого графита в сером чугуне
обеспечивается уникальное сочетание высоких антифрикционных свойств, из-
носостойкости, малой чувствительности к концентраторам напряжений и высо-
кой демпфирующей способности. Серый чугун имеет примерно одинаковую
конструктивную прочность в отливках простой формы или с ровной поверхно-
стью и сложной формы с надрезами или с плохо обработанной поверхностью.
Графит повышает износостойкость и антифрикционные свойства чугуна вслед-
ствие собственного "смазывающего" действия и повышения прочности пленки
смазочного материала. Очень важно, что графит улучшает обрабатываемость
резанием, делая стружку ломкой.
Серый чугун - высокотехнологичный материал. Его расплав обладает хо-
рошей жидкотекучестью, малой склонностью к образованию усадочных дефек-
тов. Из него можно изготовлять отливки самой сложной конфигурации с тол-
щиной стенок от 2 до 500 мм.
Модифицированные чугуны СЧ 30, СЧ 35 получают обработкой расплава
перед разливкой специальными добавками - модификаторами (графит, 75%-
ный ферросилиций, силикокальций в количестве 0,3-0,8% и др.). Модифициро-
вание применяют для получения в чугунных отливках с различной толщиной
стенок перлитной металлической основы с вкраплением изолированных пла-
стинок графита средней величины.
Модифицированию подвергают низкоуглеродистый чугун, содержащий
небольшое количество кремния и повышенное количество марганца, имеющий
без введения модификатора структуру половинчатого чугуна. Для снятия ли-
161
тейных напряжений и стабилизации размеров чугунные отливки отжигают при
500-600°С. В зависимости от формы и размеров отливки выдержка при темпе-
ратуре отжига составляет 2-10 ч. После такой обработки механические свойства
изменяются мало, а внутренние напряжения снижаются на 80-90%. Иногда для
снятия напряжений в чугунных отливках применяют естественное старение чу-
гуна - выдержку их на складе в течение 6-10 месяцев; такая выдержка снижает
напряжения на 40-50%. ■••■ .
6.4.3. Высокопрочные чугуны с шаровидным графитом (ВЧШГ)
Существенное повышение механических свойств чугуна достигается при
переходе от пластинчатой формы графита к шаровидной, или вермжулярной
(промежуточной). Для чугуна с шаровидным графитом характерны не только
высокая прочность (отсюда и название - высокопрочный чугун), но и значи-
тельные пластичность и вязкость, в связи с чем во многих зарубежных стандар-
тах его называют пластичным чугуном. Высокопрочный чугун получают путем
сфероидизирующего модифицирования магнием, редкоземельными металлами
или комплексными лигатурами.
ВЧШГ имеют широкий диапазон механических и эксплуатационных
свойств. Ферритные чугуны характеризуются наивысшей среди чугунов пла-
стичностью и вязкостью, обеспечивают литым деталям высокие хладо- и уда-
ростойкость, хорошую свариваемость и обрабатываемость резанием. Перлит-
ные ВЧШГ хорошо сопротивляются статическим и циклическим нагрузкам, об-
ладают высокими износо- и задиростойкостъю. В бейнитных ВЧШГ сочетают-
ся максимально высокая прочность с достаточной пластичностью, что обеспе-
чивает высокие значения износостойкости, усталостной прочности и контакт-
ной выносливости литых изделий.
ВЧШГ всех марок имеют высокий модуль упругости и значительно
большую, чем у стали, демпфирующую способность. Предел текучести у бей-
нитных чугунов в 2,5-3 раза выше, чем у обычных конструкционных сталей.
По способности выдерживать высокие механические нагрузки при наи-
меньших деформациях и массе деталей ВЧШГ значительно превосходит сталь,
ковкий и серый чугун. Масса литых деталей из ВЧШГ может быть на 5-10%
ниже по сравнению с литой сталью и ковким чугуном и на 10-20% меньше по
сравнению со стальными поковками и штамповками.
ВЧШГ успешно заменяет углеродистую сталь и другие виды чугунов в
деталях, работающих в условиях тепловых ударов, термоусталости (при темпе-
ратурах цикла до 600°С), низких температур (до -100°С), умеренно агрессивных
сред, высоких давлений, знакопеременных динамических нагрузок.
ВЧШГ обладают хорошими литейными свойствами, что позволяет изго-
товлять из них высококачественные отливки с толщиной стенок от 2,5 до 1000
мм и массой от нескольких десятков граммов (например, поршневые кольца) до
200 т (станины, цилиндры, контейнеры и др.).
Высокая герметичность в сочетании с ударо- и коррозионно-стойкостью
позволяют эффективно использовать ВЧШГ в виде наиболее экономичного ма-
162
териала для напорных труб и фитингов. Почти половина мирового производст-
ва ВЧШГ используется на эти цели.
Механические свойства ВЧШГ зависят от толщины стенки отливки, хотя
и в меньшей степени, чем у серого чугуна. Прочность и твердость чугуна в
пробах обычно выше, чем в реальных отливках.
Свойства ВЧШГ регламентированы ГОСТ 7293-85, в котором предусмот-
рены 8 марок чугуна (табл.6.9).
Таблица 6.9
Марка
чугуна
ВЧ35
ВЧ40
ВЧ45
ВЧ50
ВЧ60
ВЧ70
ВЧ80
ВЧ100
Oi
ОЬ,2
МПа, не менее
343
392
441
491
589
687
785
981
216
245
304
314
363
412
471
687
д, %,
не менее
22
15
10
7
3
2
2
2
Твердость
НВ
140-170
140-202
140-225
153-245
192-277
228-302
248-351
270-360
Ударная вязкость
КС при +20°С,
Дж/см 2
80-150
30-80
30-60
30-50
10-30
10-25
10-30
10-20
. . 1 I I
Содержание углерода во всех марках ВЧШГ примерно одинаково и со-
ставляет 3,2-3,8%. Основное различие между марками чугуна - в содержании
кремния и в особенностях технологического процесса изготовления отливок и
деталей.
Физико-механические свойства ВЧШГ наиболее эффективно повышают-
ся за счет термической обработки, которую проводят также с целью улучшения
обрабатываемости резанием, снятия внутренних напряжений, изменения струк-
туры и т.д.
Применяемые виды и режимы термической обработки отливок и деталей
из ВЧШГ приведены в табл. 6.10.
Изотермическая закалка является основным способом получения бейнит-
ных высокопрочных чугунов. Варьированием химического состава чугунов (за
счет легирования) и режимов термической обработки деталей можно регулиро-
вать структуру чугуна от ферритно-бейнитной до мартенситной. При этом су-
щественно меняются и свойства чугуна, в частности можно получать твердость
от НВ 280 до HRC 50-55.ВЧШГ широко используется во многих отраслях тех-
ники взамен литой и кованой стали, серого и ковкого чугунов. К 2000 году ми-
ровое производство ВЧШГ достигло ~ 20 млн т, что в общем производстве от-
ливок составляет около 30% (а в Японии 42,5%). Половину мирового производ-
ства ВЧШГ составляют центробежно-литые трубы диаметром от 50 до 2200
мм и длиной от 2 до 8 м.
163
Вид обработки
Таблица 6.10
Виды, режимы и назначение термической обработки ВЧШГ
Назначение
Отжиг графи-
тизирующий
Нормализация
Отжиг низко-
температур-
Уменьшение твердости, повыше-
ние пластичности, вязкости,
прочности, улучшение обрабаты-
ваемости
Структура ме-
таллической ос-
новы
исход-
ная
Повышение твердости, прочно-
сти, износостойкости
Уменьшение твердости, повыше-
ние пластичности, вязкости,
улучшение обрабатываемости
П + Л,
П + Ц
конеч-
ная
Режии
термической
обработки
П,
П + Ф
Ф,
Ф + П
Закалка | Повышение твердости, износо-
стойкости, прочности
Отпуск
Отжиг для
снятия внут-
ренних на-
пряжений
Снятие закалочных напряжений,
повышение вязкости, пластично-
сти и предела выносливости
П + Ф
П,
П + Ф
850-
1000
П,П +
Ф,Ф
Изотермиче-
ская закалка
Поверхност-
ная закалка
Снятие внутренних напряжений,
повышение стабильности разме-
ров, снижение деформации, по-
вышение вязкости
М,
М + Б
Ф, ф
1 Ьсрн.
м, м
+ Б
900-
1000
Время
выдерж-
ки, ч
0,5- 6,0
Ох-
лаж-
дение
0,5-3,0
680-
800
П,
П + Ф
Повышение прочности, твердо-
сти, износостойкости
Игг +
Б + Т
~п,
П + Ф
850-
950
0,5-4,0
С пе-
чью,
на
воз-
На
воз-
0,5-1,0
200-
500
Повышение поверхностной твер-
дости, износостойкости
П,
П+Ф,
Ф
П.П+Ф
Б,
Б+М,
Б+М+Ф
500-
600
1,0-3,0
На
воз-
Духе,
с пе-
чью
Вво-
де, в
масле
2,0-6,0
850-
920
М,
М+Б
пов.
900-
1050
На
воз-
духе
С пе-
чью
0,3-1,0ГТ
6-15с
В рас
| плаве
соли,
ще-
лочи
В во-
де, в
масле
Примечание. Обозначения фаз и структурных составляющих: Ф - феррит,
П - перлит, ПзерН - зернистый перлит, Ц - цементит, Л - ледебурит, М - мартен-
сит> Мот - мартенсит отпуска, Б - бейнит, Т — троостит.
В ряде случаев могут быть проведены два вида термической'обработки:
Первый - для улучшения обрабатываемости отливки, второй (поеле механиче-
ской обработки) - для повышения свойств чугуна в детали.
Особое внимание в настоящее время уделяется производству литых дета-
лей из бейнитных чугунов, которые являются одновременно высокопрочными,
*ысоковязкими и высокоизносостойкими сплавами. Применение бейниТных чу-
164
гунов позволяет в 2 раза повысить предел выносливости коленвалов, на 40% -
предел текучести, на 35% - предел прочности (по сравнению с перлитными чу-
гунами марок ВЧ 50 и ВЧ 60). При этом примерно на 10% можно снизить массу
коленвалов. Крупномасштабное производство коленвалов из бейнитных ВЧШГ
осваивается фирмами Форд Мотор и Крайслер в США.
6.4.4. Чугуиы с вермикулярным графитом (ЧВГ)
Вермикулярный графит имеет форму взаимосвязанных лепестков, но, в
отличие от пластинчатого графита, лепестки вермикулярного фафита имеют
меньшую длину, большую толщину и округлую форму кромок. Содержание
вермикулярного фафита в структуре чугуна должно составлять не менее 80-
90%, остальное - шаровидный фафит; пластинчатый фафит не допускается. На
рис.6.5 представлена микроструктура ферритного ЧВГ.
- ■•*_••-■. ° [Фочности ЧВГ находится на уровне
.,*>', К^ящ^^ИЧ^^Ущ высокопрочных марок серого чугуна (СЧ 30 -
|^^о^>*Г^Г__ % СЧ 40) или превосходит их, однако пластич-
/S»vV?jv. Р*1~Яь*к-}У ность, ударная вязкость, окалино- и росто-
*^^КлАЧ^-^Л^~^Г wl^ устойчивость, сопротивляемость коррозии,
(«ймб^Г' V>"3 jfi ^j£, герметичность ЧВГ выше, чем СЧ.
►"revile ^ЬУ-, Т1 ЧВГ превосходит ВЧШГ по демпфи-
вО%/ ^"о*1-^. См.«^Г^» рующей способности, теплофизическим и не-
" Рис.6.5. Типичная микро"- ^орым специальным свойствам (тепло- и
структура ЧВГ х 200 температуропроводности, термоусталостной
v ' стойкости, размерной стабильности в условиях
теплосмен). ЧВГ более технологичен, чем СЧ высоких марок и ВЧШГ. Отливки
из ЧВГ, как правило, можно изготовлять без прибылей. По сравнению с СЧ вы-
соких марок и ВЧШГ склонность к отбелу у ЧВГ ниже, что позволяет получать
тонкостенные отливки без отбела в литом состоянии.
ЧВГ особенно эффективен для изготовления отливок большой массы
(например, изложниц массой до 100 т с толщиной стенок до 500 мм), деталей
сложной конфигурации независимо от массы (например, блок-картеров и голо-
вок цилиндров ДВС), разностенных деталей. Обрабатываемость резанием ЧВГ
лучше, чем ВЧШГ и стали.
Так же, как и у других типов чугуна структура металлической основы
ЧВГ регулируется посредством легирования и термообработки. Производство
ЧВГ требует очень жесткого металлургического контроля. В промышленности
ЧВГ используется с 1968 г.
Самостоятельного ГОСТа на марки ЧВГ в нашей стране нет. Однако дей-
ствующий ГОСТ 7293-85 на ВЧШГ распространяются и на ЧВГ.
6.4.5. Ковкие чугуиы (КЧ)
Ковкий чугун получают путем фафитизирующего отжига отливок из бе-
лого доэвтектического чугуна. При отжиге графит выделяется в виде компакт-
ных включения ("хлопьевидный" графит или "углерод отжига") (рис.6.6). Вла-
165
годаря компактному фафиту ковкий чугун
имеет повышенные значения прочности и пла-
стичности. . ,
В основу стандартизации ковкого чугуна
заложен принцип регламентирования мини-
мальных значений предела прочности при рас-
тяжении и относительного удлинения. Марки и
свойства ковких чугунов в соответствии с Рис.6.6. Микроструктура
ГОСТ 1215-79 приведены в табл.6.11. ковкого ферритного чугуна,
Ковкий чугун по прочностным свойствам х 100
и сочетанию механических свойств и износостойкости уступает ВЧШГ. Однако
он превосходит их по хладостойкое™ и обрабатываемости резанием (особенно
ферритный КЧ). Обезуглероженный КЧ является единственным конструкцион-
ным чугуном, который хорошо сваривается и может быть использован для по-
лучения сварно-литых конструкций. КЧ хорошо поддается запрессовке, расче-
канке и легко заполняет зазоры. Отливки из ферритного КЧ можно подвергать
холодной правке, из перлитного - правке в горячем состоянии.
Таблица 6.11
Марки, свойства и структурные классы ковких чугунов (по ГОСТ 1215-79)
Марки
чугунов
КЧ 30-6
КЧ 33-8
КЧ 35-10
КЧ 37-12
КЧ 45-7
КЧ 50-5
КЧ 55-4
КЧ 60-3
КЧ 65-3
КЧ 70-2
КЧ 80-1,5
од, не менее
МПа
294
323
343
362
441
491
539
589
637
687
785
кгс/мм2
30
33
35
37
45
50
55
60
65
70
80
S, %,
не менее
6
8
10
12
7
5
4
3
3
2
1,5
НВ
100-163
150-207
170-230
192-241
200-269
212-269
241-285
270-320
Структурный
класс 1
Ферритный
Перлитный
Рекомендуемые химические составы ковких чугунов в зависимости от
марки и способа их выплавки составляют, масс. %: 2,4-2,8 С, 1,0-1,6 Si, 0,1-1,0
Мл, до 0,12-0,18 Р, до 0,20 S, до 0,08 Сг.
Недостатком КЧ являются его пониженные литейные свойства, прежде
всего жидкотекучесть. Поэтому минимальная толщина стенки в отливках из КЧ
составляет 6 мм. Ограничена толщина стенки отливки и максимальным значе-
нием (~ 60 мм), что связано с плохой отжигаемостью исходного белого чугуна в
больших сечениях.
166
/ стадия
графитизации
А+Ц-+А+Г
950-1050
Эвтектоидный
интервал
ШШ/Ш№&
U стадия
графитизации
П-+Ф+Г
Время
Рис.6.7. Схема отжига ковкого чугуна
Необходимые структура и свойства ковкого чугуна в отливках обеспечи-
ваются с помощью графитизирующего отжига. Ферритный ковкий чугун полу-
чают полной графитизацией белого чугуна (рис.6.7). Весь цикл отжига состоит
из нагрева до температуры первой стадии 950-1050°С, выдержки для графити-
зации (разложения) цементита (I стадия), быстрого охлаждения до температуры
эвтектоидного превращения (750-720°С), медленного охлаждения в интервале
этих температур или выдержки при температуре чуть ниже этого интервала (II
стадия отжига), охлаждения отливок на воздухе. Продолжительность графити-
зации чугуна зависит, прежде всего, от содержания в нем кремния и обычно со-
ставляет десятки часов.
Перлитный ковкий чугун получают ускоренным охлаждением отливок
после первой стадии отжига белого чугуна; легированием чугуна марганцем
(0,8-1,2%), а также закалкой и отпуском отливок.
Ковкий чугун применяют для изготовления тонкостенных деталей. Из не-
го изготовляют детали, работающие при ударных и вибрационных нагрузках.
Ферритные ковкие чугуны КЧ 37-12 и КЧ 35-10 используют для изготовления
деталей, эксплуатируемых при высоких динамических и статических нагрузках
(картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы и т.д.), а КЧ 30-6 и КЧ 33-8 - для
менее ответственных деталей (головки, хомутики, гайки, глушители, фланцы,
муфты и т.д.). Из перлитных ковких чугунов изготовляют вилки карданных ва-
лов, звенья и ролики цепей конвейера, втулки, муфты, тормозные колодки и т.д.
Изложенный в настоящей главе материал позволяет обоснованно подойти
к выбору материалов общего назначения сталей и сплавов, из которых изготав-
ливаются детали триботехнических устройств, обеспечивающих работоспособ-
ность узлов трения.
167
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 6
1. Как влияет углерод на механические свойства стали?
2. Почему сера, фосфор, кислород и водород относятся к вредным при-
месям в стали? Каким образом нейтрализуется влияние серы?
3. Как классифицируются стали по качеству? Приведите примеры.
4. Какие виды упрочняющей термической обработки обычно используют
для деталей, изготовленных из сталей 30-50?
5. Как подразделяют легирующие элементы по их влиянию на структуру
сталей и чугунов?
6. Укажите, какими элементами целесообразно легировать сталь для по-
вышения ее прокаливаемости и хладостойкое™.
7. Какие стали применяют для цементации? Какие требования предъяв-
ляются к этим сталям?
8. Что собой представляет сталь 38Х2МЮА? В каких случаях применя-
ется эта сталь и каковы ее механические свойства?
9. Какие стали используют для изготовления деталей, подвергаемых по-
верхностной и объемно-поверхностной закалке? Что собой представляет сталь
55ПП и какие свойства она обеспечивает?
10. Какой термической обработке нужно подвергать детали из сталей 40Х,
40ХН и ЗОХГС для получения высокой кшетрукгавной прочности по всему сечению?
11. Каким требованиям должны отвечать улучшаемые стали?
12. Отличаются ли по свойствам литейные стали от деформируемых? Из
каких сталей целесообразно отливать изделия, отличающиеся повышенной аб-
разивной износостойкостью, ударно-абразивной износостойкостью?
13.Какие требования предъявляются к рессорно-пружинным сталям? На-
зовите марки таких сталей.
14. Какие требования предъявляются к инструментальным сталям?
15.Каковы преимущества и недостатки углеродистых инструментальных
сталей? Для чего проводится легирование этих сталей?
16.Каковы особенности термической обработки быстрорежущих сталей?
17. Что такое вторичное твердение? Каков механизм этого явления?
18. Какие стали и с какой термической обработкой используют для штам-
пов холодного и горячего деформирования?
19. Приведите классификацию чугунов.
20. Какие элементы наиболее сильно влияют на графитизацию чугунов?
21. Что собой представляют и для чего применяются структурные и
структурно-прочностные диаграммы и номограммы?
22.Какие формы графита могут быть в чугунах? Как влияет графит на ме-
ханические, технологические и эксплуатационные свойства чугунов?
23. Как получают в чугуне шаровидный и вермикулярный графит?
24. Что собой представляет бейнитный чугун? Как его получают, каковы
особенности его свойств и применение?
25.Как получают ферритный и перлитный ковкий чугун? Каковы особен-
ности свойств этих чугунов?
168
ГЛАВА 7. МАТЕРИАЛЫ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО
НАЗНАЧЕНИЯ
Трущиеся и изнашиваемые детали в зависимости от назначения изготов-
ляют из конструкционных материалов общего назначения, фрикционных, изно-
состойких и антифрикционных материалов обширной номенклатуры. Во мно-
гих случаях на конструкционный материал наносят износостойкие покрытия,
пленки и др.
Конструкционные стали применяют для изготовления деталей, которые
должны иметь повышенные механические свойства. Это детали типа валов,
пальцев, зубчатых колес и т.д. Из сталей и чугунов изготовляют силовые ци-
линдры, поршни, плунжеры и поршневые кольца. Чугун широко распространен
как материал для станин, столов кареток, ползунов, направляющие которых
подвергаются трению. Область применения чугунов постоянно расширяется,
особенно в связи с разработкой и использованием в производстве новых видов,
обладающих сочетанием высоких механических и эксплуатационных свойств.
Фрикционные материалы - это материалы, которые в контакте с металли-
ческой поверхностью имеют высокий, более или менее стабильный коэффици-
ент трения. Материалы, применяемые в тормозах и фрикционных муфтах ва-
лов, разделяются на металлические (чугуны, стали 60, У7 и др.), спеченные на
медной и железной основах, органические (дерево, кожа, пробка, войлок), по-
лимерные (текстолит, асбестотекстолит).
Износостойкими называют материалы, способные сопротивляться по-
верхностному разрушению при перемещении по твердому, жидкому или сыпу-
чему материалу, т.е. при взаимодействии с изнашивающей средой. К элементам
конструкций, материал которых должен обладать высокой износостойкостью,
. относят плунжерные пары, зубья ковшей экскаваторов и погрузчиков, зубки
врубовых машин и угольных комбайнов, лемехи плугов и рабочие органы
большинства технологических машин (скребки, цепи, рештаки, штампы и др.).
В качестве износостойких материалов используют конструкционные стали, уп-
рочненные по всему объему или по рабочим поверхностям, специальные стали,
чугуны, спеченные и композиционные материалы, резину, пластмассы и др.
Из всех пар трения подшипники скольжения вызвали в свое время наи-
большую трудность в обеспечении их длительной нормальной работы вследст-
вие высоких удельных нагрузок при сравнительно больших скоростях скольже-
ния. С целью улучшения работы подшипников скольжения были разработаны
сплавы, получившие название антифрикционных, т.е. обладающие низким ко-
эффициентом трения. В дальнейшем антифрикционным стали называть любой
подшипниковый материал (как металлический, так и неметаллический), твер-
дость которого меньше твердости сопряженной детали.
Понятие антифрикционности включает комплекс свойств, которым дол-
жен удовлетворять подшипниковый материал: достаточная статическая и ди-
намическая прочность при повышенных температурах трения; способность об-
169
разовъгвать пробный граничный слой смазочного материала и быстро восста-
навливав его в местах, где он разрушен; низкий коэффициент трения при фа-
ничнои смазке; отсутствие заедания на валу в случае перерыва в подаче сма-
зочного' материала; высокие теплопроводность, теплоемкость, прирабатывае-
мость; Хорошая износостойкость сопряжения; недефицитность материала и вы-
сокая технологичность.
Подшипниковых материалов, удовлетворяющих всем этим Требованиям,
фактически нет. Так, прочность баббитов резко снижается с повышением тем-
пературы, прирабатываемость ряда антифрикционных бронз неудовлетвори-
тельна; неметаллические антифрикционные материалы имеют низкую тепло-
проводность. Каждый из подшипниковых материалов обладает антифрикцион-
ными свойствами при определенных режимах трения. Об антифрикционности
какого-либо материала судят по его коэффициенту трения с сопряженной дета-
лью при фаничнои смазке или другом режиме трения, по объему повреждений
поверхностей трения, по температуре этих поверхностей и вероятности заеда-
ния или налипания материала.
Все пары трения должны обладать антифрикционностью, при этом требо-
ванием, общим для всех материалов (за исключением приработочных по-
крытий), является износостойкость. В парах трения трудно отделить антифрик-
ционные материалы от износостойких. Так, пара "поршневое кольцо - ци-
линдр" должна быть износостойкой, иметь низкий коэффициент трения и хо-
рошо прирабатываться, а кольцо должно еще иметь высокую упругость.
7.1. ИЗНОСОСТОЙКИЕ МАТЕРИАЛЫ ВЫСОКОЙ ТВЕРДОСТИ
Приведенная классификация триботехнических материалов является в
определенной степени условной. Поэтому обычно используют еще одно разли-
чие между износостойкими и антифрикционными материалами - различие по
твердости. Выделяют износостойкие материалы высокой твердости, исполь-
зуемые главным образом в трибосистемах, подвергаемых абразивному изнаши-
ванию.
Абразивное и коррозионно-абразивное изнашивание наносит наибольший
урон сельскохозяйственным и дорожно-строительным машинам, горнодобы-
вающему и очистному оборудованию, многим другим видам техники. От есте-
ственного абразива (главным образом частиц Si02) с твердостью HV 10 000
МПа избавиться нельзя, можно только защищаться от него, используя уплотне-
ния и, что более эффективно, применяя для трущихся сопряжений материалы с
высокой твердостью (желательно превышающей твердость абразива). Как пра-
вило, такие материалы хрупки и малопригодны для изготовления динамически
нагруженных деталей машин. Часто эта проблема решается путем нанесения
износостойких слоев на достаточно вязкую основу деталей. Повышение изно-
состойкости в некоторых случаях достигается термической обработкой сталь-
ных деталей (объемной или поверхностной), различными методами химико-
термической обработки поверхностных слоев. Эффективно применение высо-
170
колегированных сталей и чугунов, содержащих большое количество твердых
карбидов,^твердых сплавов, керамических материалов (например, корундовой
керамики). ,
Износостойкость сталей, сплавов и других материалов, работающих в ус-
ловиях абразивного изнашивания,- величина всегда переменная, зависящая от
соотношения твердостей абразивного и основного материалов. Выбор износо-
стойких сталей и сплавов осложнен еще и тем, что критерии, исключающие
разрушение или деформацию деталей, не всегда совпадают по своему влиянию
на ресурс машин с критериями, повышающими износостойкость этих же мате-
риалов. Так, чтобы исключить разрушение бурильных труб, необходимо
уменьшить хрупкость материала, из которого они изготовлены, при этом
уменьшится и его твердость, а снижение твердости способствует увеличению
износа.
Сложной задачей является выбор материала для деталей, работающих в
условиях ударно-абразивного изнашивании. С увеличением энергии удара пе-
речень возможных сплавов, способных длительно работать в динамическом
режиме, сокращается, а их износостойкость снижается.
Дополнительно усложняет выбор материалов высокое тепловое воз-
действие на узлы трения. Разупрочнение структуры в условиях теплового воз-
действия аналогично термической обработке - отпуску, в результате которого
снижаются прочностные характеристики, твердость и износостойкость.
Непростая задача - выбор износостойких сталей и сплавов для деталей,
работающих при отрицательных температурах, из-за снижения ударной вязко-
сти и повышения порога хладноломкости.
Во всех приведенных примерах условий, усложняющих выбор из-
носостойких сплавов, начальная износостойкость существенно изменяется в ре-
зультате изменения структуры. Исходные предпосылки выбора сплавов с высо-
кой начальной износостойкостью еще не гарантируют ее сохранения в процессе
эксплуатации.
7.1.1. Обеспечение износостойкости сталей
Низко- и среднеуглеродистые стали применяют для более легких условий
изнашивания, например в условиях граничной смазки (гильзы цилиндров, ку-
лачковые и коленчатые валы, поршневые кольца и др.). В этом случае, помимо
абразивного изнашивания, наблюдаются и другие виды изнашивания, например
окислительное. Для повышения износостойкости низкоуглеродистые, средне-
углеродистые и легированные стали марок 20 (ГОСТ 1050-88), 15Х, 20ХНЗА и
др. (ГОСТ 4543-71) подвергают термической или химико-термической обра-
ботке на высокую поверхностную твердость. Но износостойкость сталей зави-
сит не только от их твердости, но и от структуры и фазового состава поверхно-
стного слоя, которые в значительной степени определяются химическим соста-
вом сталей. Исследования, проведенные М.М. Хрущевым и М.А. Бабичевым,
показали, что при одинаковой твердости сталей разных марок их абразивная
171
износостойкость может существенно отли-
чаться. Из данных (рис.7.1) видно, что изно-
состойкость зависит и от содержания углеро-
да в стали, и от степени и характера ее леги-
рования. При одинаковой твердости сталей
XI2 и 40 износостойкость первой почти в 1,5
раза выше.
Существенно зависит износостойкость
от соотношения твердостей абразива На и из-
нашиваемого материала Ня. На графике зави-
симости (рис.7.2) можно выделить три облас-
ти: область, в которой износ практически от-
сутствует (до На/Нм= 1), область почти про-
порционального увеличения износа (На/ Нм =
1-5,5) и область, в которой износ не зависит
от твердости абразива (при Нв/Нм > 5,5).
Абразив, твердость которого меньше
твердости материала, его поверхность не из-
нашивает. Изнашивание начинается, когда
твердость абразива равна твердости материа-
ла. Максимальный износ происходит, когда
твердость абразива примерно в 5,5 раз
превышает твердость материала.
Дальнейшее повышение твердости
абразива не приводит к увеличению из-
носа.
Подшипниковые стали. Для та-
ких изделий массового производства,
как подшипники качения, характерно
усталостное изнашивание с выкраши-
ванием и образованием усталостных
трещин. Этот вид изнашивания
вызывают циклические контактные
напряжения.
Подшипники качения работают в
основном при низких динамических нагрузках и больших контактных на-
пряжениях. Основным эксплуатационным свойством подшипников качения яв-
ляется контактная выносливость, определяемая усталостным выкрашиванием.
Подшипниковые стали должны также обладать высокой твердостью и износо-
стойкостью. К ним предъявляются высокие требования по содержанию вред-
ных примесей и неметаллических включений, а также по карбидной неодно-
родности. В связи с этим для таких сталей применяют иногда зшектрошлаковый
(с обозначением буквой Ш в конце марки) и вакуумно-дуговой переплав (буквы
ВД в конце марки).
гт wo бпо ну,мла
Рис.7.1. Зависимость от-
носительной износостой-
кости е сталей при абра-
зивном изнашивании (при
трении о шлифовальную
шкурку) от твердости HV
s ю И„/Нм
Рис.7.2. Зависимость износостой-
кости сталей от соотношения
твердостей абразива и металла
172
Для колец, шариков и роликов подшипников используют стали ШХ! 5 и
ШХ15СГ (ГОСТ 801-78); их подвергают закалке в масле с 840-860°С и отпуску
при 150-170°С. Иногда применяют обработку холодом при -70...-80сС. Твер-
дость после термической обработки составляет 61-66 HRC, предел выносливо-
сти oil = 650-710 МПа, ударная вязкость для образцов без надреза КС = 25-
45 Дж/см2. У сталей, подвергаемых электрошлаковому или вакуумно-дуговому
переплаву, достигается существенное повышение свойств (<Х| до 900-960 МПа),
но стоимость сталей при этом возрастает в 1,5-2 раза.
Для деталей подшипников качения, работающих при высоких динамиче-
ских нагрузках, применяют цементуемые стали 20Х2Н4А и 18ХГТ. После газо-
вой цементации на глубину 1,2-3,5 мм, высокотемпературного отпуска, закалки
и отпуска при 160-170°С сталь 20Х2Н4А имеет твердость на поверхности 58-62
HRC и в сердцевине 35-45 HRC.
Для деталей тяжелонагруженных роликовых подшипников, подвергае-
мых объемно-поверхностной закалке, применяют сталь ШХ4РП (ГОСТ 801-78)
с регламентируемой прокаливаемостыо. Закаленный слой имеет твердость 60-
63 HRC, а сердцевина - 35-40 HRC.
Кольца и тела качения подшипников, работающих в агрессивных средах,
изготовляют из стали 95X18. Их подвергают закалке в масле от 1000-1050°С и
отпуску при 14М50°С на твердость не менее 56 HRC. Предел выносливости
при 60 HRC составляет ал ~ 980 МПа. Сталь 95X18Ш применяют для износо-
стойких деталей ответственного назначения.
Стали для зубчатых колес. Ресурс работы зубчатых колес так же, как и
подшипников качения регламентируется контактной выносливостью. Кроме
того, зубчатые колеса должны обладать высоким сопротивлением усталости и
стойкостью к абразивному и окислительному износам. Всем этим требованиям
удовлетворяют стали, имеющие твердый поверхностный слой в сочетании с
вязкой, но достаточно прочной сердцевиной. Такого сочетания свойств можно
достичь термической или химико-термической обработкой низко- и среднеуг-
леродистых сталей.
Для зубчатых колес, работающих при небольших нагрузках и скоростях,
в условиях массового производства применяют стали марок: 40, 45, 50, 40Х,
40ХН с последующей нормализацией и улучшением. Их можно подвергать по-
верхностной и объемной индукционной закалке с последующим низким отпуском.
Для мелких и средних зубчатых колес сельскохозяйственных машин и
приборов используют хромистые стали 15Х, 15ХФ, 20Х, 20ХР и другие с по-
следующей цементацией и термической обработкой. Средненагруженные зуб-
чатые колеса изготовляют из сталей 40ХФА, 38ХМЮА, 38ХНЗМФА и др.,
подвергаемых азотированию. Для сильнонагруженных зубчатых колес диамет-
ром 600 мм и более применяют хромоникелевые цементуемые стали 20ХНЗА,
12Х2Н4А, 18Х2Н4МАидр.
Стали, устойчивые к изнашиванию в условиях больших давлений и
ударных нагрузок. Для деталей, работающих на износ в условиях абразивного
трения и высоких давлений и ударов (траки гусеничных машин, щеки дроби-
173
'"' лок, крестрвинь} железнодорожных и трамвайных путей и т.д.), применяют вы-
"' '''ср'крмарганцевую аустенитнуюсталь 110ПЗД,содержащую 0,91,3% С и 11,5-
1 1'^14;5.% Мп (ГОСТ 2176-77). Сталь подвергают закалке в роде с 1,Л(|0оС, Вследст-
■'!!'"виё высокого содержания марганца и углеродаДеталь обладает аустенитной
'*"" структурой. Механические свойства стали после закалки: сгв= 800-1000 МПа и
стад = 300-400 МПа при 6= 25-15%, у/= 40-20%, 180-220 НВ. При значительных
давлениях и ударных нагрузках поверхность стали наклёпывается (до 550-600
НВ) и становится износостойкой. Основное достоинство стали 110Г13Л в на-
клепанном состоянии состоит в том, что высокая износостойкость сочетается в
ней с хорошей пластичностью и ударной вязкостью.
Сталь 110Г13Л широко используют для изготовления литых деталей, ра-
ботающих в условиях ударно-абразивного изнашивания. При чисто абразивном
изнашивании, когда преобладает механизм среза поверхностного слоя абразив-
ными частицами, эта сталь не имеет преимуществ по износостойкости перед
другими сталями с одинаковой твердостью.
Многие детали машин, работающие в контакте с быстротекущим потоком
жидкостей (например, лопасти турбин гидростанций, судовые гребные винты,
лопасти насосов, системы охлаждения различных агрегатов и т.п.), подвергают-
ся кавитационной эрозии. Под воздействием многократных и гидравлических
ударов, локализованных в микрообъемах поверхности, происходит пластиче-
ская деформация, а затем и разрушение, эрозия металла.
Высокая способность марганцевого аустенита к деформационному уп-
рочнению использована при разработке хромомарганцевых нестабильных ау-
стенитных сталей с высокой кавитационной стойкостью. Наибольшим сопро-
тивлением кавитационному воздействию обладают метастабильные аустенит-
ные стали на хромомарганцевой основе, которые под влиянием внешней на-
грузки претерпевают мартенситное превращение. Примером может служить
сталь 30Х10Г10, применяемая для изделий, подвергающихся изнашиванию по-
током жидкости или газа.
Принцип метастабильности аустенита был использован также для повы-
шения стойкости стали при работе в условиях ударно-абразивного изнашива-
ния. В хромо-марганцевом метастабильном аустените, кроме действующего в
стали 110Г13Л основного механизма упрочнения путем наклепа аустенита,
действует еще более эффективный механизм упрочнения вследствие образова-
ния достаточного количества мартенсита деформации.
Высокой стойкостью при циклическом контактно-ударном нагружении и
ударно-абразивном изнашивании обладает сталь 60Х5Г10Л. Эту сталь исполь-
зуют для изготовления литых бронефутеровочных плит дробильно-размольного
оборудования и других деталей, работающих в условиях ударно-абразивного
изнашивания.
7.1.2. Износостойкие белые чугуны (ИБЧ)
Основной структурной особенностью износостойких белых чугунов яв-
ляется наличие достаточно большого количества высокотвердых карбидов (ле-
174
тированного цементита и специальных карбидов), обеспечивающих высокую
стойкость чугуна в условиях абразивного изнашивания. На свойства ИБЧ ока-
зывает также влияние и металлическая основа, которая должна быть достаточ-
но твердой и прочной и обеспечивать хорошее закрепление карбидных частиц.
Микротвердость некоторых фаз и составляющих структуры в белых чугунах
приведена в табл. 7.1.
Таблица 7.1
Свойства некоторых фаз и структурных составляющих в износостойких белых
чугунах
Фазы, струк-
турные со-
ставляющие
(Fe(Cr)3C
(Cr.FeKj
СгтСз
Сг2зС6
VC
TiC
WC
М02С
Микро-
твердость
Н50, МПа
8400-11000
12000-13000
13800
9700
30000
31000
21000
15000
Темпера-
тура
плавле-
ния, С
-
-
1665
1550
2810
3100
2720
2500
Плот-
ность,
г/см2
7,67
-,.
6,92
6,97
5,36
4,93
15,6
15,0
Фазы, струк-
турные со-
ставляющие
Феррит
Перлит
Аустенит
низколегиро-
ванный
Аустенит вы-
сокохроми-
стый
Мартенсит
Микро-
твердость
Н50, МПа
700-2000
2500-3200
2500-3200
3000-6000
5000-10000
Из приведенных данных видно, что наиболее эффективное повышение
твердости чугунов обеспечивается при их легировании ванадием и хромом. Из
матричных фаз целесообразно иметь в структуре достаточно легированные
мартенсит и метастабильный аустенит. С целью обеспечения наряду с высокой
твердостью еще и повышенной ударной вязкости целесообразно содержание
остаточного аустенита иметь в пределах 15-25%.
По степени легирования и типу карбидов ИБЧ подразделяют на несколь-
ко структурных классов:
- низколегированные или ледебуритные (с эвтектикой на основе легиро-
ванного цементита MjC, где М - металл);
- хромистые с карбидами М7С3 типа СГ7С3, представляющие собой основ-
ную группу чугунов, легированных хромом;
- высокохромистые с карбидами МгзСб или с карбидами двух типов
(МцзСе и М7С3);
- ванадиевые, ниобиевые и титановые с карбидами МС;
- хромомолибденовые с карбидами М7С3 и МгС;
- комплексно-легированные с несколькими видами специальных карби-
дов, например, М7С3 и МС, М7С3 и М«С, МС и МбС.
175
Количество карбидов определяется содержанием углерода, характером и
степенью легирования и может регулироваться в пределах от 4-12% (в чугунах
с карбидами МС) до 50% (в низколегированных эвтектических чугунах). Наи-
более распространенные марки ИБЧ имеют в структуре 20-30% карбидов (хро-
мистые, хромомолибденовые, комплексно-легирован-ные чугуны).
Металлическую основу (матрицу) ИБЧ составляют аустенит и продукты
его превращения. В наибольшей степени тре^ваня^Тпредъявляемым к ИБЧ,
отвечают мартенсит и неустойчивый остаточный аустенит.
ГОСТ 776.9-82 предусматривает девять марок: износостойких белых чу-
гунов (ЧХЗТ, ЧХ9Н5, ЧХ16, ЧХ16М2, ЧХ22, ЧХ28Д2, ЧХ32, ЧГ7Х4, ЧН4Х2),
которые классифицированы по химическому составу. Однако более целесооб-
разно использовать приведенную классификацию по структуре,
V. Чугуны ледебуритного класса. Наиболее известными представителями
чугунов этого класса являются чугуны, легированные никелем и хромом (в от-
ношения 2-2,5 к 1), получавшие название "нихард". Их обычно подразделяют
на три вида: высокоуглеродистый (стандартный), низкоуглеродистый и высо-
копрочный. Стандартный (3,0-3,6%С, 0,4-0,7%Si, 0,4-0,7%Mn; 1,4-2,5%Сг,3,4-
4,75%Ni) и высокопрочный (~ 2,9%С) чугуны отличаются только содержанием
углерода и имеют твердость ~ 550 НВ. Твердость низкоуглеродистого чугуна
(~1,3%С; 0,6%Si; 0,5%Мп; 1,6%Сг; 4,5%Ni) составляет 380-430 НВ. Низкоугле-
родистый нихард по механическим свойствам занимает промежуточное поло-
жение между чугуном и сталью (о, = 600-700 МПа, КС = 6-8 Дж/см2), но он ме-
нее износостоек по сравнению со стандартным нихардом. Недостатком стан-
дартного нихарда является низкая удароустойчивость.
Чугуны нихард применяют для деталей, работающих в условиях интен-
сивного изнашивания при умеренных ударных нагрузках и при рабочих темпе-
ратурах до 400°С: шары и футеровки шаровых мельниц, валковые головки
мельниц для тонкого помола угля, колена трубопроводов в пневмотранспорте
песка, детали бегунов и пескометов. Нихард можно использовать и для условий
гидроабразивного изнашивания.
Чугуны структурных классов с карбидами М7С3 и МиСб. Их структу-
ра обеспечивается необходимым содержанием хрома. Содержание углерода
обычно составляет до 3,8% при содержании хрома до 18%. Замена ледебурита
структурой с карбидами М7С3 приводит к значительному повышению прочно-
сти, твердости и износостойкости чугуна. Максимальной износостойкостью об-
ладают чугуны, содержащие 12-18%Сг, структура которых приведена на
рис.7.3, а. Углерод повышает твердость чугуна, но снижает его прочность.
В условиях абразивно-коррозионного изнашивания используют чугуны с
повышенным содержанием хрома (около 30%). Для повышения прокаливаемо-
сти массивных деталей чугуны дополнительно легируют молибденом (до 3%)
или марганцем (3-5% в зависимости от содержания углерода). Хромомарганце-
вые чугуны с мартенситно-аустенитной матрицей обладают повышенной удар-
но-абразивной износостойкостью. Чугуны с высоким содержанием марганца
(6% и более) имеют в структуре большое количество аустенита и отличаются
176
повышенной ударной вязкостью. Аустенитные чугуны имеют невысокую твер-
дость (30-35 HRC), но поверхность деталей из этих чугунов может наклепы-
ватьсядй;45^-50'МС: "":'v '■'"-• l!'1"' "-1 ■ ■"
а б в
Рис.7.3. Микроструктуры износостойких белых чугунов, х 100:
а - с карбидами М7С3; б - с карбидами МС; в - с карбидами М7Сз и МС
Чугуны структурного класса с карбидами МС. Из чугунов этого клас-
са наиболее полно изучены ванадиевые чугуны, например ИЧ250Ф6Х. Струк-
тура ванадиевых белых чугунов имеет композиционный характер (рис.7.3, б).
Эти чугуны обладают редким сочетанием высоких механических и эксплуата-
ционных свойств, что позволяет использовать их для изготовления деталей, ра-
ботающих при высоких нагрузках (в том числе и динамических) и в условиях
интенсивного изнашивания. По прочностным свойствам эти чугуны не уступа-
ют многим конструкционным легированным сталям, обладают повышенной
пластичностью, обычно не свойственной белым чугунам, но при этом сохраня-
ют основные их преимущества.
Чугуны структурного класса с карбидами МС и М7С3. К этому классу
относятся чугуны, легированные комплексом элементов, прежде всего ванади-
ем и хромом (рис.7.3, в). Чугуны этого класса могут обладать преимуществами
и хромистых, и ванадиевых чугунов. При дополнительном легировании мар-
ганцем они имеют мартенситно-аустенитную основу и обладают повышенной
ударной вязкостью. Повышенные механические свойства у них сочетаются с
очень высокой износостойкостью, особенно ударно-абразивной. Типичными
примерами таких чугунов являются ИЧ320Ф8Х9ГЗ и ИЧ250Ф6Х9Г4.
Зависимость относительной абразивной износостойкости белых чугунов
(при трении по ленте из корундовой шкурки со скоростью скольжения 6 м/мин
и удельной нагрузке 3 МПа) от их твердости приведена на рис.7.4, а сопостав-
ление разных сплавов по их износостойкости - на рис.7.5 в виде объемной гис-
тограммы. В качестве эталона с износостойкостью, равной 1, принята нормали-
зованная сталь 45 с твердостью 200 НВ.
177
В условиях ударно-
абразивного изнашивания из-
носостойкость не всегда кор-
релирует с твердостью. Так,
высокотвердые металлокера-
мические сплавы, значительно
более износостойкие при без-
ударной работе в абразиве по
сравнению с термообработан-
ной сталью, при работе с уда-
ром могут иметь износостой-
кость ниже, чем у стали. В свя-
зи с этим делаются попытки
увязать ударно-абразивную
износостойкость с механиче-
скими свойствами путем ис-
12 3 4 5 6 7
Номер сплава
Рис.7.5. Сопоставление износостойкости сплавов, приведенных под но-
мерами: 1 - сплав ВК 20 с твердостью 1100 HV; 2 - белый чугун
ИЧ320Ф8Х9ГЗ с твердостью 67-69 HRC; 3 - белый чугун ИЧ250Ф6Х9Г4
с твердостью 64-65 HRC; 4 - белый чугун ИЧ290Х12М с твердостью 62
HRC; 5 - белый чугун "нихард" с твердостью 50 HRC; 6 - сталь ШХ15
с твердостью 62HRC; 7 - сталь 45 с твердостью 200 НВ
пользования комплексных критериев. Г.М. Сорокин показал, что для опреде-
ленных условий таким показателем может служить произведение предела
прочности на относительное сужение erB'V- Более универсальным Является
предложенный Г.И. Сильманом и С.С. Грядуновым параметр, равный произве-
дению твердости HRC на вязкости, разрушения К)С- Ударно-абразивная износо-
е
14
10
II S
и
50 54 58 62 66
Твердость HRC
70
Рис.7.4. Корреляционная связь между
абразивной износостойкостью и твердо-
стью легированных белых чугунов
178
стойкость комплексно-легирован-ных белых чугунов пропорциональна этому
параметру во всем исследованном интервале их свойств при твердости не менее
55 HRC.
Комплексно-легированные белые чугуны с мартенситно-аустенитной
матрицей целесообразно использовать для деталей, работающих в условиях
ударно-абразивного изнашивания (коронки зубьев ковшей экскаваторов, дро-
беметные лопатки, детали дробилок и др.), а также для деталей, интенсивно из-
нашиваемых грунтом (ножи шнеков и другие детали землеройных машин).
7.1Л. Половинчатые чугуны (ПЧ)
В структуре половинчатых чугунов содержатся одновременно и графит, и
включения карбидов. Большое многообразие половинчатых чугунов обуслов-
лено тем, что в их структуре могут сочетаться графитные включения разной
формы (от пластинчатой до шаровидной) с включениями карбидов различных
видов (М3С, М7С3, М23С6, MC, М6С и др.) и разной термодинамической ста-
бильности (от неустойчивого цементита до высокоустойчивых карбидов леги-
рующих элементов). Наиболее перспективны для практического использования
половинчатые чугуны с карбидами М3С (стабилизированными хромом), М7С3
(при повышенном содержании хрома) и МС (при легировании ванадием). На-
личие необходимого количества графита в структуре половинчатых чугунов
обычно обеспечивается дос-
таточным содержанием в
них углерода и кремния. В
связи с этим наибольшее
применение могут найти
Хромо-кремниевые и вана-
диево-кремниевые чугуны.
Половинчатые хро-
мо-кремниевые чугуны.
Содержат в структуре кар-
биды в виде легированного
цементита или карбида М7С3
(рис.7.6,' а). Образованию
карбида М7С3 способствует
легирование чугуна кремни-
ем и небольшими добавками
ванадия. При необходимости
сфероидизация включений
графита может быть осуществлена с использованием тех же модификаторов,
что и при получении высокопрочного чугуна.
По износостойкости ПЧ уступают белым чугунам, но значительно пре-
восходят графитизированные чугуны (серые, высокопрочные и ковкие). Коэф-
фициент трения ПЧ зависит от удельной нагрузки: он снижается от уровня СЧ
при Р = 1МПа до уровня бронзы ОЦС5-5-5 при Р = 4,5-5 МПа, Хромо-
Рис.7.6. Микроструктуры половинчатых чугу-
нов: а - хромо-кремниевого с пластинчатым
графитом и карбидами М7С3, х 200; б - вана-
диево-кремниевого с шаровидным графитом и
карбидами МС, х 150 (тепловое травление)
179
кремниевые ПЧ отличаются также повышенной жаропрочностью (до 600°С),
окалиностойкостью (в 1,5-2 раза выше, чем у ЖЧХ-2,5), ростоустойчивостью (в
2-4 раза выше, чем у СЧ 20), термостойкостью (в 1,5-2 раза выше, чем у СЧ 20).
Хромо-кремниевые ПЧ рекомендуется использовать как износостойкий,
антифрикционный, жаропрочный, а в некоторых случаях и термостойкий мате-
риал. Из них можно изготовлять детали пресс-форм стекловырабатывающих
машин, плунжерных пар машин литья под давлением, штампов горячего де-
формирования и др.
Ванадиево-кремниевые половинчатые чугуны (рис.7.6, б). Обладают
высокой износостойкостью, зависящей от содержания ванадия. Минимальный
износ имеют чугуны, содержащие 3,5-4,5% V. Повышение износостойкости
этих чугунов может быть обеспечено термической обработкой на высокую
твердость (50 HRC и более).
Применение ванадиево-кремниевых ПЧ определяется их высокими меха-
ническими свойствами и износостойкостью, а также достаточно высокой тех-
нологичностью, в частности удовлетворительной обрабатываемостью резанием,
особенно в отожженном состоянии (при 20-25 HRC). Ванадиево-кремниевые
ПЧ могут быть использованы для изготовления деталей штампов, матриц, во-
лок, бронеплит, тормозных колодок, прокатных валков и др. деталей.
7.1.4. Металлокерамические твердые сплавы
К твердым сплавам обычно относят гетерогенные материалы, получае-
мые путем спекания из порошков и состоящие из зерен тугоплавких высоко-
твердых соединений (карбидов, реже нитридов или боридов переходных метал-
лов), связанных между собой пластичным металлом (кобальтом, никелем, реже
железом, или их сплавами). В качестве тугоплавкой фазы твердых сплавов ча-
ще всего используются карбиды вольфрама, титана, тантала, хрома или их смеси.
Изделия из твердых сплавов получают путем прессования из дисперсных
смесей порошков тугоплавкой фазы и связки, а затем прессовки подвергают
спеканию при температурах ниже температуры плавления тугоплавких соеди-
нений. При спекании связующая фаза оплавляется, растворяя некоторую долю
тугоплавкой фазы.
Металлокерамические (спекаемые) твердые сплавы имеют высокую твер-
дость (80-92 HRA) и теплостойкость (до 900-1000°С), что обеспечивает им су-
щественно более высокие режущие свойства по сравнению с быстрорежущими
сталями.
Твердые сплавы подразделяют на вольфрамосодержащие и безвольфра-
мовые. В свою очередь, вольфрамосодержащие сплавы в соответствии с ГОСТ
3882-74 делятся на три группы: вольфрамовые, титановольфрамовые и титано-
танталовольфрамовые. В качестве связки в этих сплавах используется кобальт.
Сплавы вольфрамовой группы изготовляют из смеси порошков карбида
вольфрама и кобальта (WC + Со). Их маркируют буквами ВК и числом, пока-
зывающим содержание кобальта в процентах (остальное - карбид вольфрама).
По ГОСТ 3882-74 основными сплавами этой группы являются ВКЗ, ВКЗ-М,
180
ВК4, ВК4-В, BK6S BK6-M; i BK6-OM, BK8, BK I0, BK 1.0-M,' BK10-0M,: BK15,
BK20,BK25. •>■ ■■:-■' .■.'.■•:'■ .."„.,, ' . ' Y .-.■•;-■.'<•■ ■-—• ■:■■:;■
! Титановольфрамовые сплавы (WC + TiC + Co) маркируют буквами ТК.
Числа после букв Т и К показывают содержание карбидов титана и кобальтовой
связки в процентах (остальное - карбид вольфрама). К этой группе относятся
сплавы Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12.
Сплавы титанотанталовольфрамовой группы (WC + TiC + ТаС + Со) мар-
кируют буквами ТТК. После букв ТТ указывают суммарное содержание карби-
дов титана и тантала, а после буквы К - содержание кобальта. К сплавам этой
группы относятся ГПК 12, ТТ8К6, ТТ10К8, ТТ20К9.
В маркировке некоторых сплавов имеются дополнительные обозначения.
Если в марке стоит буква "М" (например, ВК6-М), сплавы изготовлены из мел-
ких порошков (с размером зерен 1-2 мкм), если "В" (ВК4-В) - из крупнозерни-
стого карбида вольфрама (2-3 мкм), если "ОМ" - из особо мелких порошков (до
1 мкм), если "ВК" - из особо крупного карбида вольфрама (до 5 мкм).
Примеры микроструктуры сплавов приведены на рис.7.7.
а б в
Рис.7.7. Микроструктура твердых сплавов, хЮО:
а-ВКЗ; 6-Т15К6; В-Т30К4
В структуре сплава ВКЗ (рис.7.7, а) кристаллы карбида WC имеют вид
светлых угловатых зерен; кобальтовая прослойка располагается по границам
зерен и при оптической металлографии четко не выявляется; темные участки на
шлифе - преимущественно поры.
В микроструктуре сплава Т15К6 (рис.7.7, б) более 50% занимает карбид
(Ti,W)C (темные крупные карбидные частицы). Из диаграммы состояния WC-
TiC (рис.7.8), видно, что в карбиде титана может растворяться значительное
количество вольфрама.
По этой же диаграмме можно оценить микроструктуру и других сплавов
типа ТК. Так, в структуре сплава Т30К4 (рис.7.7, в) присутствует только ком-
плексный карбид (T:,W)C в виде округлых зерен. Темные прослойки на фото-
графии микроструктуры представляют собой кобальтовую связку и мелкие поры.
181
с;с
гот
1500
№)С-
500
1
!
\
\
\
т/ос*\ 1
■ ИпМс V
1 ■'
1
1
Г
1
|_
i
1
S
1
1
1
i
(n,w)c
1
1
о w го ином so
вК6 С Е? ft й
'А? 90/00
ПС
Рис.7.8. Псевдобинарный разрез диаграммы W-Ti-C
(диаграмма WC-TiC)
Твердые сплавы группы ВК применяют для изготовления горнобурового
и режущего инструмента, а также для деталей деформирующего инструмента и
быстроизнашивающихся деталей машин, приборов и приспособлений. Для гор-
нобурового инструмента эффективно использовать сплавы ВК с крупными кар-
бидными зернами. Из более мелкозернистых марок твердых сплавов ВК изго-
товляют инструмент для обработки резанием чугунов и других материалов, не
образующих сливных стружек.
Чем меньше в сплавах группы ВК кобальта и мельче карбидные частицы,
тем выше их износостойкость, но ниже прочность и сопротивление ударам.
Сплавы ВКЗ и ВКЗ-М используются для чистовой обработки с высокой скоро-
стью резания чугунов, цветных металлов и неметаллических материалов. Спла-
вы ВК4, ВК6, ВК6-М, ВК8 рекомендуются для чернового точения, фрезерова-
ния, рассверливания, зенкерования при обработке чугуна, жаропрочных спла-
вов, цветных сплавов и неметаллических материалов. Сплав ВК8 применяют
также для волочения и калибровки труб, прутков и проволоки. Сплавы ВК10 и
ВК15 используют для изготовления быстроизнашивающихся деталей различ-
ных конструкций. Сплавы ВК20 и ВК25 применяются для изготовления изна-
шиваемых деталей штампов. Эти сплавы характеризуются высокой эксплуата-
ционной прочностью, но износостойкость их ниже, чем у малокобальтовых
сплавов.
Инструмент из сплавов ТК и ТТК применяют для обработки резанием
сталей и труднообрабатываемых сплавов. Наибольшей износостойкостью и до-
182
пустимой скоростью резания обладает сплав Т30К4. У сплавов Т15К6 и Т5К10
износостойкость и скорость резания ниже, но эксплуатационная прочность вы-
ше. Сплавы этой группы применяют для чистовой (Т30К4) и черновой (Т15К6,
Т5К10) обработки стали.
Сплавы группы ТТК применяют для черновой и чистовой обработки
труднообрабатываемых материалов, в том числе жаропрочных сталей.
Безвольфрамовые твердые сплавы являются более экономичными, так как
не содержат соединения дорогостоящего и дефицитного вольфрама. Их выпус-
кают на основе карбида титана (TiC + Ni + Mo), например сплав ТН20 (где 20 -
суммарное содержание никеля и молибдена, %, остальное - карбид титана), или
карбонитрида титана (Ti(C,N) + Ni + Mo), например КНТ-16. Никель и молиб-
ден играют роль связки.
Таблица 7.2
Износостойкость твердых сплавов при изнашивании об абразивную
прослойку из электрокорунда
Сплав
ВКЗ
ВКЗ-М
ВК4
ВК4-В
ВК6
ВК6-М
ВК6-ОМ
ВК6-В
ВК8
ВК8-В
ВК8-ВК
ВК10
ВК10-М
ВК10-ОМ
ВК10-КС
Твердость
HRA (не ме-
нее)
89,5
91,0
89,5
88,0
88,5
90,0
90,5
87,5
87,5
86,5
87,5
87,0
88,0
88,5
85,0
Износо-
стойкость,
км/мм
1,2
2,0
1,3
0,9
1,7
3,3
10,0
0,8
1,4
1,1
3,3
1,1
2,0
5,0
1,1
Сплав
ВК15
ВК20
ВК25
Т30К4
Т15К6
Т14К8
Т5К10
Т5К12
ТТ7К12
ТТ8К6
ТТ10К8
ТТ20К9
ТН-20
КНТ-16
КХН-15
Твердость
HRA (не ме-
нее)
86,0
84,0
82,0
92,0
90,0
89,5
88,5
87,0
87,0
90,5
89,0
89,0
90,0
89,0
85,0
Износо-
стойкость,
км/мм
0,8
0,6
0,4
0,6
1,7
1,1
1,1
0,8
0,9
3,3
3,3
1,7
0,3
0,3
0,2
К безвольфрамовым относятся также карбидохромовые твердые сплавы
КХН (где КХ - карбид хрома, Н- никель), например КХН-10...КХН-35 (число
показывает содержание никеля, %). Эти сплавы не окисляются на воздухе при
нагреве до 1000-1100°С, обладают хорошей коррозионной стойкостью и изно-
состойкостью. Безвольфрамовые сплавы применяют для изготовления инстру-
мента (режущего, для обработки давлением, измерительного), пресс-форм и де-
талей, от которых требуется высокая износостойкость.
Износостойкость твердых сплавов при изнашивании о прослойку из элек-
трокорунда и других абразивов приведена в табл. 7.2 и 7.3.
183
Таблица 7.3
Износостойкость твердых сплавов при изнашивании о прослойку
различных абразивных материалов
Абразивный материал
Синтетический алмаз
Карбид бора
Карбид кремния
Электрокорунд
Кварц
Н,ГПа
100
37-43
30-33
20-24
11-12
Износостойюсть сплавов, км/мм
ВКб
0,2
0,2
0,4
1,7
6,6
ВК15
0,2
0,2
0,2
0,8
3,1
Твердые сплавы выпускают в виде многогранных неперетачиваемых пла-
стин, которые крепят к корпусу или державке инструмента механическим ме-
тодом или припаивают.
7.1.5. Сверхтвердые материалы, керамики и ситаллы
Сверхтвердые материалы (микротвердость которых превышает 50 000
МПа). К этим материалам относятся кубические модификации углерода (алмаз)
и нитрида бора. Износостойкость некоторых материалов на их основе приведе-
на в табл. 7.4.
Таблица 7.4
Износостойкость алмаза, поликристаллических твердых материалов и твердых
сплавов при трении о прослойку карбида бора
Материал
Алмаз монокристаллический (природный)
Поликристаллические материалы:
СВСП
СКМ
СВА
Исмит
Гексанит-Р
Композит-05
Основа мате-
риала
Алмаз
Алмаз
Алмаз
Алмаз
BN
BN
BN
Износостойкость,
км/мм
50
10
10
7,7
10
2,5
0,2
Синтетические алмазы в виде порошков и плотных поликристаллических
образований типа баллас и карбонадо используют для приготовления абра-
зивного инструмента и абразивных паст. Баллас и карбонадо применяют для
изготовления волок, резцов, выглаживателей, а в дробленом виде - для произ-
водства абразивного инструмента. Спеканием смеси микропорошков синтети-
ческих и природных алмазов получают плотные поликристаллические образо-
вания алмаза (в виде цилиндриков диаметром 3-4,5 мм и высотой 4 мм) с мел-
козернистой структурой (СВ и дисмит). Алмазы марки СВ предназначены для
Дуровых коронок и долот, а также пил, применяемых при резке неметалличе-
ских материалов. Дисмит применяют для изготовления горнобурового ин-
184
струмента, а также режущего инструмента (резцов, сверл и др.), используемого
при обработке цветных металлов и сплавов, пластмасс, стеклопластиков.
Кубический нитрид бора получают только синтетическим путем из гекса-
гональной модификации. Применяется главным образом для изготовления аб-
разивного инструмента. По твердости кубический нитрид бора уступает .алмазу,
но существенно превосходит его по теплостойкости. Кроме того, он значитель-
но менее адгезионно и химически активен по отношению к материалам на ос-
нове железа, никеля и кобальта. В США кубический нитрид бора выпускается
под названием боразон, в нашей стране - эльбор и кубонит. Разновидности по-
ликристаллического материала, созданные на основе эльбора и кубонита, - эль-
бор-Р, гексанит-Р, исмит, ПНТБ, композит и др. - выпускаются в виде пластин
различной формы и цилиндрических вставок массой от 0,5 карата до несколь-
ких каратов. Изготовляют из них металлорежущий инструмент, применяемый
при обработке труднообрабатываемых закаленных сталей, чугунов и сплавов с
твердостью более 40 HRC. Стойкость такого инструмента в 10-20 раз больше
стойкости твердосплавного (при этом обеспечивается повышение производи-
тельности в 2-4 раза).
К композиционным сверхтвердым материалам относится "славутич", не
уступающий природным алмазам по износостойкости, но значительно пре-
вышающий их по прочности. Изготовляют его в виде цилиндров и пластин раз-
личных размеров (до 25 мм). Применяют славутич для буровых долот, кругов
(карандашей, брусков, роликов) и т. п.
Керамические материалы. Обладают высокой твердостью и износо-
стойкостью. К ним, в частности, относятся тугоплавкие оксиды (алюминия, бе-
риллия, циркония, хрома и др.). Наибольшее распространение получил оксид
алюминия. Устойчивая модификация а-А12Оз встречается в природе в виде
простых (обыкновенный корунд, наждак и др.) и полудрагоценных (лейкосап-
фир, сапфир, рубин и др.) разновидностей. Цвет зависит от содержания других
оксидов. Чистый оксид алюминия имеет микротвердость 20000 МПа, плотность
3,95-4,02 г/см3, температуру плавления 2050°С. Основным сырьем для получе-
ния чистого оксида алюминия являются бокситы.
Порошки корунда (природного и особенно синтетического) широко при-
меняют для изготовления разнообразного абразивного инструмента. Ком-
пактные поликристаллические корундовые материалы (минералокерамики) ха-
рактеризуются высокими твердостью (90-93 HRA), теплостойкостью, химиче-
ской стойкостью и износостойкостью. Их применяют с целью изготовления
резцов (режущих пластин) для получистовой и чистовой обработки углеродис-
тых и легированных сталей и чугуна. Корундовая керамика применяется также
в нефтяной промышленности (износостойкие насадки гидромониторных долот,
горловины насосов пескоструйных аппаратов, штуцера фонтанной арматуры), в
сельскохозяйственном машиностроении (сопла для разбрызгивания ядохи-
микатов и жидких минеральных удобрений, элементы почвообрабатывающих
орудий), для изготовления нитеводителей ткацких станков, в приборостроении
185
(например, для изготовления деталей газодинамических подшипников гиро-
скопов), электротехнике и в других отраслях промышленности.
Синтетический, окрашенный в красный цвет прозрачный монокристалли-
ческий оксид алюминия (рубин) применяют для изготовления часовы» камней,
некоторых деталей точных приборов. Монокристаллические стержн! рубина
применяют в лазерной технике.
Си галлы (стеклокристаллические материалы). Представляют собой по-
ликристаллические материалы, получаемые регулируемой кристаллизацией
стекол. Состоят из кристаллов размером менее 1 мкм и остаточной стекловид-
ной фазы, содержание которой обычно менее 50% по объему. Микротвердость
ситаллов достигает 10 000 МПа. Высокой износостойкостью и коррозионной
стойкостью обладают петроситаллы (на основе базальтовых и других горных
пород), пироксеновые ситаллы (CaO-MgO-AhQj-SiQz) и шлакоситаллы (полу-
чаемые из стекол на основе шлаков). Из них изготовляют детали пар трения
(плунжеры, части насосов и т.п.), применяемые в химическом машиностроении,
футеровку мельниц и мелющие тела, нитеводители текстильных машин, точные
калибры, фильеры для синтетических волокон и другие детали, работающие в
условиях интенсивного абразивного изнашивания.
7.2. АНТИФРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Антифрикционные материалы предназначены для использования в раз-
личных подшипниках скольжения, работающих, как правило, при трении о ме-
талл, главным образом в присутствии смазки. К числу таких подшипников от-
носятся гидродинамические и гидростатические, газодинамические и га-
зостатические, самосмазывающиеся с твердой смазкой, самосмазывающиеся
пористые (пропитанные жидким или пластичным смазочным материалом) и др.
К антифрикционным материалам предъявляются определенные требова-
ния. Они должны обладать: 1) по возможности низкими значениями коэффици-
ента трения (для снижения потерь на трение); 2) высокой износостойкостью; 3)
способностью быстро прирабатываться и легко приспосабливаться к ужесточе-
нию условий работы трибосистемы (вторичная приработка); 4) повышенной
сопротивляемостью к заеданию и задиру; 5) хорошими свойствами совмести-
мости трибосистемы; 6) достаточной прочностью и сопротивляемостью устало-
стным, кавитационным, коррозионным и абразивным повреждениям. Для обес-
печения этих свойств структура антифрикционных сплавов должна быть гете-
рогенной, состоящей из мягкой и пластичной основы и включений частиц более
твердой составляющей (см. правило Шарпи). Так, при вращении вал опирается
в структуре подшипника на твердые частицы, обеспечивающие износостой-
кость, а основная масса, истирающаяся более быстро, прирабатывается к валу и
образует сеть микроскопических каналов, по которым циркулирует смазочный
материал и уносятся продукты износа.
Малое значение коэффициента трения зависит от сочетания свойств тру-
щихся материалов обеих сопряженных деталей и от наличия и свойств смазки,
186
условий на поверхности трения (кинематических, силовых, температурных),
качества отделки поверхностей и других факторов. От материала детали, рабо-
тающей с трением, обычно требуется, кроме антифрикционных свойств, также
достаточная механическая прочность, износостойкость, сопротивление корро-
зии в данной среде, технологичность и др: Часто невозможно найти материал,
одновременно удовлетворяющий разным, иногда противоречивым требовани-
ям. Поэтому комбинируют в одной детали несколько материалов, обладающих
разными свойствами, например биметаллические втулки с основой из стали и
рабочим слоем из пластичного антифрикционного материала; подшипники из
пористой твердой бронзы с заполнением политетрафторэтиленом (техническое
наименование, принятое у нас в стране - фторошшст-4; в Англии и США -
тефлон), дающим малое трение при отсутствии смазки; чугунные поршневые
кольца с тонким приработочным слоем олова и т. д.
Одно из явлений, вызывающих высокое трение между металлическими
материалами, приведенными в непосредственное соприкосновение (при совер-
шенно чистых поверхностях, без пленок масла, окислов и загрязнений) - схва-
тывание - обусловлено возникновением прочных металлических связей на уча-
стках контакта выступающих неровностей; схватывание лежит в основе заеда-
ния трущихся поверхностей при трении, сопровождаемого повреждениями. От-
сутствие схватывания является одним из наиболее важных проявлений анти-
фрикционное™ данного сочетания материалов. Основной способ уменьшения
трения и изнашивания (в т.ч. устранения его наиболее опасного проявления -
при схватывании) в машинах - применение смазки с расчетом полного разде-
ления поверхностей трущихся деталей при помощи жидкой пленки, воз-
никающей при гидродинамической смазке, или граничной смазочной пленки.
Свойства материалов, способствующие образованию или поддержанию сма-
зочной пленки, разделяющей поверхности деталей, входят в комплекс свойств,
составляющий антифрикционность. В тех случаях, когда смазочная пленка не
может разделять поверхности трения и нагрузка между ними передается (час-
тично или полностью) непосредственно, т.е. при металлическом контакте, для
избежания схватывания и заедания стальных деталей им придают антифрикци-
онные свойства поверхностной химико-термической обработкой (азотирование,
сульфидирование, фосфатирование, оксидирование), а в некоторых случаях -
нанесением металлических покрытий (латунирование и др.). Аналогичную
функцию выполняют смазочные масла, содержащие химически активные про-
тивозадирные присадки; в этом случае поверхностная обработка стали проис-
ходит в процессе трения, когда повышение температуры поверхности достигает
уровня, соответствующего началу химической реакции между присадкой и же-
лезом. Антифрикционность придается также нанесением на трущиеся стальные
поверхности материалов, выполняющих роль твердых смазок (графит, дисуль-
фид молибдена, политетрафторэтилен). К антифрикционным относятся метал-
лические материалы, применяемые главным образом для работы с трением при
смазке (некоторые чугуны, сплавы на основах меди, алюминия, цинка, кадмия,
олова, свинца; пористые материалы из металлических порошков, полученные
187
металлокерамическим путем; металлизационные покрытия; покрытия некото-
рыми пластичными металлами); материалы на основах пластмасс и резины для
работы с трением при смазке водой; материалы в виде композиций металл-
пластмасса и композиций на основе графита для работы с трением без смазки.
Большая часть этих материалов находит применение для подшипников сколь-
жения.
Антифрикционные материалы подразделяют на металлические, неметал-
лические (полимерные, древесные, графитовые и др.) и комбинированные (ме-
таллопОлимерные, графитометаллические и др.).
Из металлических материалов применяют графитизированные стали, ан-
тифрикционные чугуны, антифрикционные бронзы и латуни, баббиты, цинко-
вые антифрикционные сплавы, алюминиевые подшипниковые сплавы, порош-
ковые антифрикционные материалы (композиции железо - графит, бронза -
графит, материалы с сульфидами и фторидами и др.).
Из неметаллических материалов наибольшее распространение получили
антифрикционные пластмассы.
7.2.1. Критерии выбора материалов и некоторые правила
их сочетания в парах трения
Выбор материалов пар трения производят по некоторым критериям. Наи-
более простой способ заключается в оценке работоспособности материалов по
среднему давлению р. Способ пригоден для пар трения, работающих с малыми
скоростями скольжения при невысоких температурах окружающей среды, и
имеет целью обезопасить узел трения от возможного заедания. Для шарнирно-
болтовых соединений предельные значения удельных нагрузок (МПа) прибли-
зительно могут быть приняты: для термообработанной стали по стали до 15, по
баббиту 9, по бронзе 8, по серому чугуну 6; нетермообработанной стали по
баббиту 6, по бронзе 5.
Если режим трения пары определяется не только давлением, но и скоро-
стью скольжения v, то чаще применяют оценку по величине pv. При коэффи-
циенте трения скольжения/величина Jpv представляет собой удельную мощ-
ность трения. Поскольку надежная работа подшипника, тормоза или другого
узла возможна лишь при теплонапряженности, не превышающей определенную
величину для данной конструкции и условий ее эксплуатации, то, обозначив
через А предельное количество теплоты, которое может отводиться с единицы
площади диаметральной проекции подшипника в единицу времени, можно ус-
ловие надежности подшипника по теплонапряженности представить в виде_#ту
< А. При /= const имеем pv < А //= const, т.е. параметр pv не должен превы-
шать определенную величину для каждого сочетания материалов.
Хотя допустимое значение параметра/>v подбирают при этом в зависимо-
сти от скорости скольжения, способа теплоотвода, характера действия нагрузки
и других условий, однако использование этого произведения как показателя ра-
ботоспособности не всегда оправданно, особенно для подшипников жидкост-
ной смазки. В действительности же зависимость между предельными значе-
188
пиями р и v сложнее, чем изображаемая равнобокрй гиперболой ру = const. Это
связано с тем, что не учитывается зависимость коэффициента трения от реаль-
ных условий работы пары трения. Такими условиями являются механическая
прочность, теплостойкость материалов, нарушение прочности масляной плён-
ки, переход от гидродинамической смазки к полужидкостной или от полужид-
костной к граничной.
Однако если подшипник или другая пара трения работает при граничной
смазке, то использование параметра pv является оправданным, поскольку этот
параметр косвенно характеризует температуру поверхности трения, которая в
явном виде не входит в число заданных при расчете величин. Дополнительно
следует лимитировать величину допустимого давления р. В инженерной прак-
тике часто используют совместно оба эти параметра.
При выборе материалов для трибосистем должна учитываться их совмес-
тимость. Под совместимостью материалов понимают их способность обеспе-
чивать оптимальное состояние трибосистемы в заданном диапазоне условий
работы по выбранным критериям. При хорошей совместимости материалов
элементы трибосистемы достаточно быстро прирабатываются, имеют невысо-
кие уровни трения, износа и достаточно длительную работу без повреждений.
Каждому режиму трения свойственны свои особенности совместимости. Во
многом они определяются условиями работы - нагрузкой, скоростью и темпе-
ратурой.
В зависимости от назначения и условий работы трибосистемы определя-
ется ее оптимальное состояние. Так, в тормозной системе должен быть обеспе-
чен высокий и стабильный коэффициент трения при небольшом износе, для
подшипников скольжения - максимальная длительность работы без усталост-
ных повреждений и высокого уровня износа. Для некоторых условий работы
оптимизацию следует вести по признаку определенной величины износа тру-
щихся деталей, иногда необходимым условием является плавность перемеще-
ния (золотниковые пары и др.).
Особенностью материалов, обладающих хорошей совместимостью, явля-
ется способность их ускоренно снижать уровень контактных напряжений. Лег-
че всего это осуществляется для мягкого металла, но возможно и для наиболее
твердого элемента трибосистемы. Желательно также, чтобы процесс деформи-
рования наиболее нагруженных участков проходил в поверхностных слоях, без
вовлечения в деформацию глубинных слоев.
Следует различать совместимость в процессе приработки трибосистем и в
послеприработочном периоде. В процессе приработки за счет пластической де-
формации и износа увеличивается площадка контактирования и достигается
максимальная несущая способность трибосистемы. В послеприработочном пе-
риоде проведенная приработка должна обеспечивать устойчивую длительную
работу без повреждений трибосистемы за весь срок ее службы.
С учетом этих факторов сформулированы некоторые целесообразные ва-
рианты выбора материалов для пар трения.
189
1. Сочетание твердого материала с мягким, имеющим температуру
рекристаллизации ниже средней температуры поверхности трения. Такая пара
хорошо противостоит заеданию и характеризуется высокой надежностью.
Для пары, которая образована скользящими поверхностями, имеющими
разные значения твердости (Н\ и Я2) и размеры площадей трения {S\ и S2), мож-
но выделить следующие два условия:
1)Я,>Я2 при 5, <S2;
2) Я, < #2 при 5, <^;
Пару с расположением материалов, удовлетворяющим первому условию,
называют прямой парой трения, а удовлетворяющим второму условию - об-
ратной парой. В случае прямой пары трения по большей поверхности скользит
более твердое тело, а в случае обратной пары - более мягкое тело. Пара сколь-
жения закаленного суппорта по чугунной термически необработанной станине
является примером прямой пары. Другим примером такой пары может служить
пара скольжения хромированного поршневого кольца по поверхности цилиндра
из перлитного чугуна. Обратной парой будет хромированное рабочее зеркало
цилиндра - чугунное кольцо. Вал и подшипник с баббитовым слоем тоже пред-
ставляют собой обратную пару.
2. Сочетание твердого металла с твердым (сочетание пар из азотиро-
ванной, хромированной и термообработанных сталей). Такие нары трения об-
ладают высокой износостойкостью вследствие малого взаимного внедрения их
поверхностей. Нанесение приработочных покрытий повышает надежность в
наиболее опасный период работы - во время приработки. Применение этих пар
ограничивается скоростями скольжения. Высокая точность изготовления и
сборки, значительная жесткость конструкции, тщательная приработка, улуч-
шение условий смазки значительно расширяют область применения пар трения
из твердых материалов.
3. Недопустимость сочетаний мягкого материала с мягким и одно-
именных материалов (незакаленная сталь по незакаленной стали, алюминие-
вый сплав по никелевому сплаву, медный сплав по алюминиевому, пластмасса
по пластмассе и др., за исключением пар из политетрафторэтилена и полиэти-
лена). Подобные пары имеют низкую износостойкость и ненадежны в работе
из-за образования очагов схватывания и налипания материала на поверхность
трения.
4. Применение в труднодоступных для смазывания конструкциях по-
ристых материалов и антифрикционных сплавов с компонентами само-
смазки.
Во многих случаях пористость материала трущихся деталей улучшает
режим смазки и противозадирную стойкость пары. Поры служат резервуаром
Для смазочного материала и способствуют более быстрому восстановлению
разрушившейся граничной пленки. Пористыми обычно называют материалы, у
которых микро- или макропористость образуется в результате регулируемого
процесса (например, при получении методом порошковой металлургии, элек-
тролитическим способом, обычным металлургическим процессом и др.) и мо-
190
жет достигать 60 %. Пористый спеченный материал, пропитанный маслом, яв-
ляется самосмазывающимся материалом с саморегулировкой подачи масла.
О самосмазывающей способности пористых подшипников из композиции
металл - графит известно давно. Установлено также, что цилиндры двигателей
из стального литья работают лучше, чем изготовленные из обработанных дав-
лением заготовок. Поверхность литой детали лучше смачивается смазочными
маслами вследствие пористости материала. Металлизационное покрытие, полу-
ченное напылением, имеет пористость до 10 % объема. Поверхностную порис-
тость получают также при анодировании и фосфатировании.
5. Целесообразность применения пластмасс. Они снижают массу кон-
струкции и расход дефицитных цветных металлов, уменьшают вибрации и
улучшают акустические свойства машин, в некоторых случаях повышают на-
дежность и срок службы узла трения.
6. Реализация режима избирательного переноса путем выбора мате-
риалов пары трения, смазочных материалов и присадок к ним.
7. Учет неблагоприятных изменений в материалах пары трения, в ча-
стности наводороживания трущихся поверхностей, что резко снижает износо-
стойкость и надежность работы узла трения. Следует применять материалы,
трудно поддающиеся наводороживанию.
7.2.2. Графитизированные стали
Поскольку графит в структуре стали получают за счет частичного разло-
жения цементита, графитизированные стали должны иметь высокое содержа-
ние углерода и кремния. Состав некоторых графитизированных сталей, приме-
няемых в России, приведен в табл. 7.5.
Таблица 7.5
Химические составы графитизированных сталей
Марка ста-
ли
ЭИ293
ЭИЗЗб
ЭИ366
Содержание элементов, мае. %
С
1,50-1,75
1,50-1,70
1,30-1,45
Si
0,75-0,95
0,70-1,00
1,25-1,60
Мп
0,20-0,40
0,1 5-0,40
0,40-0,50
Другие элементы
-
0,4-0,7 Си
0,2-0.4 Ti
Стали подвергают двухступенчатому графитизирующему отжигу (820-
840°С, 5 часов и 700-720°С, 5-15 часов). Детали применяются в отожженном
состоянии или после закалки с отпуском. Свойства отожженной графитизиро-
ванной стали: <хв = 600 МПа при S~ 6%.
Применяют графитизированную сталь как заменитель цветных анти-
фрикционных сплавов. Термически обработанная графитизированная сталь ис-
пользуется для деталей штампов холодного деформирования, калибров, траков,
литых коленчатых валов и других деталей.
191
7.2.3. Антифрикционные чугуны (АЧ)
Антифрикционные чугуны предназначены для применения в узлах трения
со смазкой; они должны обеспечивать нормальную работу трущихся деталей
без заедания и образования задиров при достаточно высокой износостойкости.
Эти требования обеспечиваются в антифрикционных чугунах их микро-
структурой, обычно содержащей перлитную, перлитно-ферритную или
аустенитную металлическую основу и различной формы графитные включения.
Дополнительное повышение износостойкости АЧ достигается наличием в их
структуре небольших количеств цементита и фосфидной эвтектики. Графитные
включения способствуют эффективному самосмазыванию при трении и
хорошему удержанию смазочных масел, а также обеспечивают высокую
теплопроводность, что создает нормальные тепловые условия работы узла тре-
ния. В табл. 7.6 приведены величины коэффициентов трения по стали для ан-
тифрикционных чугунов в сопоставлении с некоторыми другими широко при-
меняющимися антифрикционными сплавами.
Таблица 7.6
Коэффициент трения некоторых антифрикционных сплавов
Вид сплава
Антифрикционные чугуны
Баббиты
Оловянные бронзы
Безоловянные бронзы
Алюминиевые бронзы
Коэффициент трения скольжения
со смазкой
0,004-0,100
0,004-0,009
0,005-0,014
0,009-0,017
0,004-0,016
без смазки
0,12-0,80
0,24-0,44
0,10-0,30
0,20-0,70
0,18-0,30
Значительные интервалы величин коэффициентов трения обусловлены их
зависимостью от конкретных условий работы: материала сопряженной детали,
температуры, удельной нагрузки, скорости скольжения, условий смазки и др.
(рис.7.9).
Основными преимуществами АЧ по сравнению с цветными антифрикци-
онными сплавами (бронзами, цинковыми и алюминиевыми сплавами, баббита-
ми) являются значительно более высокая износостойкость, хорошая работоспо-
собность при высоких давлениях, повышенных температурах и граничной смаз-
ке, низкая стоимость.
Марки антифрикционных чугунов установлены ГОСТ 1585-85, твердость
и некоторые характеристики их структуры приведены в табл.7.7.
192
Чугуны марок ЛЧС-1...АЧС-6
являются серыми чугунами с пла-
стинчатым графитом, чугуны АЧВ-1
и АЧВ-2 - высокопрочными чугу-
нами с шаровидным графитом, чу-
гуны АЧК-1 и АЧК-2 - ковкими чу-
гунами. При использовании анти-
фрикционных чугунов нужно учи-
тывать условия работы узла трения
(скорость скольжения v, давление
р), а также вид, состояние и твер-
дость сопряженной трущейся детали
(табл. 7.8).
Из антифрикционных чугунов
изготовляют различные детали уз-
лов трения (втулки, вкладыши,
подшипники скольжения, уплотне-
ния, ролики), изнашивающиеся де-
тали горнорудного и угольного обо-
рудования, строительных и дорож-
ных машин, тракторов и экскавато-
ров, сельскохозяйственных машин,
некоторые трущиеся детали турбин,
компрессоров, двигателей и насо-
сов.
Таблица 7.7
Твердость и характеристики структуры АЧ по ГОСТ 1585-85
Марка
чугуна
АЧС-1
АЧС-2
АЧС-3
АЧС-4
АЧС-5
Количество, %
перлита
70-100
70-100
70-85
85-100
> 45А*}
цементита
Не допу-
скается
Тоже
11-11
11-11
< 25К*>
Твердость
НВ
180-241
180-229
160-190
180-229
180-290
Марка
чугуна
АЧС-6
АЧВ-1
АЧВ-2
АЧК-1
АЧК-2
Количество, %
перлита
85-100
45-96
45-70
85-100
45-70
цементита
Не допу-
скается
До 5
То же
Не допу-
скается
Тоже
Твердость
НВ
140-180
210-260
167-197
187-229
167-197
* Указано количество аустенита А и карбидов К в литой структуре чугу-
на; после закалки должно быть не менее 80% А и не более 8%К.
0,020
0,004
0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5
Скорость скольжения, м/с
Рис.7.9. Зависимость коэффици-
ента трения в узле торцового
уплотнения (пара трения чугун
АЧС-1 - сталь 45Х) при полу-
жидкостной смазке от скорости
скольжения для температур 50°С
{А) и 80°С (Б) при удельных на-
грузках, МПа: 1 - 0,44; 2 - 0,50;
1 _Л SA
193
Таблица 7.8
Применение антифрикционных чугунов
Марка
чугуна
АЧС-1
АЧС-2
АЧС-3
АЧС-4
АЧС-5
АЧС-6
АЧВ-1
АЧВ-2
АЧК-1
АЧК-2
Предназначается для работы
В паре с закаленным или нормализован-
ным валом
В паре с закаленным или нормализован-
ным валом
В паре с термообрабо-танным или нетер-
мообработанным
В паре с закаленным или нормализован-
ным валом
В особо нагруженных узлах трения в паре
с закаленным или нормализованным ва-
лом
В узлах трения при температуре до 300°С
в паре с нетермообработанным валом
В узлах трения с повышенными скоро-
стями в паре с термообработанным валом
В узлах трения с повышенными скоро-
стями в паре с термообработанным валом
В паре с закаленным или нормализован-
ным валом
В паре с нетермообработанным валом
Предельные режимы работы
МПа
5,0
14,0
10,0
од
6,0
15,0
20
30
9,0
1,5
20,0
1,0
12,0
20,0
0,5
12,0
V,
м/с
5,0
0,3
0,3
3,0
1,0
5,0
1,0
0,4
4,0
10,0
1,0
5,0
1,0
2,0
5,0
1,0
PV,
МПа-м/с
12,0
2,5
2,5
0,3
5,0
40,0
20,0
12,5
9,0
12,0
20,0
3,0
12,0
20,0
2,5
12,0
Примечание: В Брянской государственной инженерно-технологической акаде-
мии разработаны чугуны, предназначенные для работы в наиболее тяжелых ус-
ловиях: чугун АЧС-М - при р до 10 МПа, v до 5 м/с и pv до 20 МПам/с; чугун
АЧВ-М - при р до 20 МПа, v до 10 м/с и pv до 50 МПа-м/с.
7.2.4. Сплавы на основе меди
Медь - металл, имеющий температуру плавления 1083°С, плотность 8,94
г/см3, кристаллическую решетку ГЦК. Медь обладает рядом ценных техниче-
ских свойств: высокой пластичностью, высокими электро- и теплопро-
водностью, малой окисляемостью.
Важнейшими медными сплавами являются латуни и бронзы.
Латуни (ГОСТ 15527-2004) - это сплавы меди с цинком. Цинка в латунях
содержится до 45%. Различают двойные и многокомпонентные (специальные)
латуни, содержащие дополнительные (легирующие) элементы. Двойные латуни
194
,1083
Ж+у
маркируются буквой Л, следующее за ней число обозначает содержание меди,
например Л96 (96% Си, остальное - Zn).
Фазовое состояние латуней описывается диаграммой состояния системы
Cu-Zn (рис.7Л0). Структура латуней состоит из а или а+/?'-фаз, где а-фаза -
твердый раствор замещения цинка в меди, имеет решетку ГЦК, высокую пла-
стичность, низкие значения прочности и твердости; /?'-фаза - упорядоченный
твердый раствор на ба-
зе химического соеди-
нения CuZn с кристал-
лической решеткой
ОЦК. Эта фаза харак-
теризуется более вы-
сокой твердостью, чем
а-фаза, и хрупкостью.
При нагреве в интер-
вале 454-468°С нару-
шается упорядоченное
расположение атомов
в ОЦК-решетке /?'-
фазы и она обозна-
20 30 40 50 60 чается как /?-фаза. На-
Содержание цинка, % рушение упорядочен-
ности повышает пла-
Рис.7.10. Диаграмма состояния сплавов Cu-Zn „ ,
•^ v стичность /2-фазы.
В зависимости от содержания цинка латуни подразделяются на 2 группы:
1) однофазные а-латуни (до 39% Zn); 2) двухфазные а +/?-латуни (от 39 до 45%
Zn). Однофазные латуни хорошо обрабатываются давлением в горячем и хо-
лодном состояниях. Двухфазные латуни имеют более высокую прочность и из-
носостойкость, чем однофазные. Присутствие в двухфазных латунях хрупкой
/?-фазы затрудняет их деформацию в холодном состоянии. Поэтому они под-
вергаются пластической деформации при высоких температурах.
Для повышения механических и технологических характеристик и при-
дания латуням специальных свойств их легируют. Легирующие элементы обо-
значаются буквами: А - А1, Ж - Fe, Мц - Мп, К - Si, H - Ni, О - Sn, С - Pb, T -
Ti, Ф - Р, Ц - Zn и т.д. В марке многокомпонентной латуни после букв следуют
числа через дефис. Первое число указывает среднее содержание меди, осталь-
ные - содержание соответствующих легирующих элементов. Содержание цин-
ка определяется по разности до 100%. Так, латунь ЛМцЖ55-3-1 содержит (в
среднем) 55%Cu, 3%Mn, l%Fe, остальное - Zn.
Латуни применяются в качестве и литейного, и деформируемого сплавов.
Двойные латуни применяют чаще как деформируемые сплавы для изготовления
труб, фольги, листов, лент и изделий из них. Специальные латуни используют
как деформируемые и литейные сплавы в машиностроении (гайки нажимных
195
винтов, подшипники, антифрикционные детали, арматура) и других отраслях
промышленности. В качестве антифрикционных применяют латуни, легиро-
ванные кремнием и марганцем, а также алюминиево-железные латуни.
Бронзы - сплавы меди с оловом, свинцом, алюминием, никелем, фосфо-
ром, марганцем, железом, бериллием и другими элементами, вместе с которы-
ми может присутствовать и цинк. По основному легирующему элементу их
подразделяют на оловянные (оловянистые), алюминиевые, бериллиевые и т. д.
Маркируют бронзы буквами Бр, а затем, как и в латунях, указывают ос-
новные легирующие элементы и их среднее содержание в сплаве. Так, бронза
БрАЖН 10-4-4 содержит в среднем 10%А1, 4%Fe, 4%Ni, остальное Си. Разли-
чают литейные и деформируемые бронзы. В оловянистых литейных бронзах
(ГОСТ 614-97) сумма легирующих элементов составляет от 11 до 30% (БрОФ
10-1, БрОЦС 3-12-5, БрОС 5-25), а в деформируемых (ГОСТ 5017-74) - лишь 4-
11% (БрО4Ф0,25, Бр04Ц4С2,5).
На рис.7 Л1 приведена часть диаграммы состояния сплавов Cu-Sn.
В структуре сплавов в
1100
равновесном состоянии мож-
но выделить следующие фа-
зы: а -фаза - твердый рас-
твор замещения Sn в Си; Д 5
И е -фазы - соединения Cu5Sn,
Cu3iSng и Cu3Sn соответст-
венно. Как видно из диаграм-
мы, сплавы системы Cu-Sn
имеют ряд перитектических
превращений и два превраще-
ния эвтектоидного типа.
Оловянистые бронзы
склонны к ликвации, при ус-
коренном охлаждении в от-
ливках они получают денд-
ритное строение (рис.7.12).
Р 900
I
&
0 10 20 30
Содержание олова, %
Рис.7.11. Часть диаграммы состояния
сплавов Cu-Sn
Рис.7.12. Микроструктуры оловянистой бронзы, х 250:
а - после литья; б - после деформации и отжига
196
В практике применяют лишь сплавы с содержанием до 10-12% Sn. Спла-
вы, более богатые оловом, очень хрупкие.
Бронзы, содержащие до 4-5% Sn, являются однофазными (со структурой
а-фазы), при большем содержании олова - двухфазными со структурой а + эв-
тектоид {а+8). Обработке давлением подвергаются только однофазные бронзы.
Деформируемые оловянные бронзы применяют для изготовления сверт-
ньгх втулок, торцовых дисков и других антифрикционных деталей, а также для
сеток целлюлозно-бумажной промышленности, лент, полос, пружинной прово-
локи.
Широко используются и более сложные деформируемые сплавы: оловян-
но-фосфористые, оловянно-цинковые, оловянно-цинково-свинцо-вые бронзы.
Так, для втулок и подшипников в тракторах и автомобилях применяют сплавы
Бр04Ц4С2,5 и Бр04Ц4С4.
Оловянные литейные бронзы применяются для сложного фасонного ли-
тья, для шестерен, втулок, гаек, ходовых винтов, корпусов кранов, червячных
колес, арматуры для водяных и паровых систем. С использованием оловянных
бронз изготовляют подшипники в монометаллическом и биметаллическом ис-
полнении. Монометаллические изделия требуют более прочных бронз, а биме-
таллические - менее прочных, но обладающих повышенными антифрикцион-
ными свойствами и хорошей совместимостью. В их число входят бронзы с по-
вышенным содержанием свинца; они обладают малой твердостью, что облегча-
ет их прирабатываемость. Большое количество свинца способствует при сме-
шанном режиме смазки образованию тонкой пленки мягкого металла за счет
его выжимаемое ги из матрицы при пластической деформации нагретых по-
верхностных слоев.
Бронзы с повышенным содержанием олова и свинца (БрОЮСЮ,
БрО10С2НЗ, Бр08С12) применяют для изготовления втулок и вкладышей в мо-
нометаллическом исполнении. Для особенно ответственных деталей трибоси-
стем используют даже нестандартные бронзы Бр019 и Бр016С5.
Помимо оловянных бронз сравнительно широкое использование находят
безоловянные бронзы, содержащие алюминий, никель, железо и другие компо-
ненты. Так, тяжелонагруженные трущиеся детали (дорожные машины, тяжелое
станочное оборудование, скользящие соединения тешюпередаточного оборудо-
вания и др.) производят из высокопрочных алюминиевых бронз.
7.2.5. Легкоплавкие антифрикционные (подшипниковые) сплавы
Легкоплавкие антифрикционные сплавы применяют для заливки вкла-
дышей подшипников скольжения. Эти сплавы должны иметь достаточную
твердость, но не очень высокую, чтобы не вызвать сильного износа вала; срав-
нительно легко деформироваться под влиянием местных напряжений, т.е. быть
пластичными; удерживать смазочный материал на поверхности; иметь малый
коэффициент трения между валом и подшипником; обладать хорошей тепло-
проводностью и устойчивостью к коррозии.
197
Для обеспечения этих свойств структура антифрикционных ^ сплавов
должна быть гетерогенной, состоящей из мягкой и пластичной основы и вклю-
чений более твердых частиц, т.е. соответствовать правилу Шарли. При враще-
нии вал опирается на твердые частицы, обеспечивающие износостойкость, а
основная масса, истирающаяся более быстро, прирабатывается к валу и образу-
ет сеть микроскопических каналов, по которым циркулирует смазочный мате-
риал и уносятся продукты износа.
Наиболее широко применяют сплавы на оловянной и свинцовой основе
{баббиты), а также на цинковой и алюминиевой основе.
Баббиты (ГОСТ 1320-74). На основе олова являются сплавами тройной
системы Sn-Sb-Cu. Маркируют их буквой Б, за которой следует число, показы-
вающее содержание основного компонента - олова (остальное - сурьма и
медь), например Б83 - баббит, содержащий 83% Sn (остальное - 10-12%Sb и 5-
7%Си). Структура оловянистого баббита Б83 (рис.7.13) состоит из матричной
фазы а (твердого раствора сурьмы и меди в олове), первичных кристаллов про-
межуточной фазы Cu3Sn и многогранных (полиэдрических) кристаллов фазы
SnSb.
Баббиты отличаются низкой твердостью, невысокой температурой плав-
ления (340-320°С), повышенной размягчаемостью и сравнительно низкой проч-
ностью. Комплекс указанных свойств определил хорошую способность бабби-
тов прирабатываться. В то же время они обладают низким сопротивлением ус-
талости, что ограничивает долговечность подшипников.
Баббит Б83 применяется для заливки подшипников тяжелонагруженных
машин (например, турбин). Его свойства: предел прочности при растяжении до
10 МПа, допустимая удельная нагрузка до 25 МПа при скорости скольжения 6-
8 м/с, pv до 20 МПа-м/с, рабочая температура до 80°С, коэффициент трения при
смазке 0,004-0,005.
Более дешевым заменителем его является свинцовистый баббит Б16 (15-
17%Sn, 15-17% Sb и 1,5-2%Си, остальное - свинец). Он используется для изго-
товления подшипников
скольжения высокоско-
ростных двигателей, хо-
рошо воспринимает
ударные и знакопере-
менные нагрузки.
Кальциевые баб-
биты (сплавы БК). При-
меняются на железнодо-
рожном транспорте
(подшипники вагонов,
подшипники коленчато-
го вала тепловозных ди-
зелей), для изготовления
тонкослойных вклады-
Рис.7.13. Микроструктуры баббитов, х 200:
а-Б83;б-Б16
198
шей подшипников различных
двигателей, компрессоров и дру-
гих механизмов. Эти сплавы при-
надлежат к системе Pb-Ca-Na. В
некоторых из них присутствует
олово, например в БК 2 содер-
жится около 2%Sn. Мягкой осно-
вой баббита является а-фаза
(твердый раствор Na, Ca и других
элементов в РЬ), а твердой со-
ставляющей - включения РЬ3Са
Рис.7.14. Микроструктура кальциевого (рис.7.14). Натрий и другие эле-
баббита, х 200: менты повышают твердость а-
фазы.
Цинковые антифрикционные сплавы (ГОСТ 21438-95). В основном
содержат алюминий, медь и добавки магния. Наибольшее применение нашли
сплавы ЦАМ 9-1,5 и ЦАМ 10-5, химический состав которых приведен
в табл. 7.9.
Таблица 7.9
Химический состав сплавов на цинковой основе
Сплав
ЦАМ 9-1, 5
ЦАМ 10-5
Содержание элемента, % масс/
AI
9-11
9-12
Си
1-2
4-5,5
Mg
0,03-0,06
0,03-0,06
Эти сплавы имеют повышенную размягчаемость при нагревании, что об-
легчает их прирабатываемость.
Применяют цинковые сплавы в литом виде для монометаллических вкла-
дышей, втулок и т.д.; сплав ЦАМ 10-5 используется и для отливки биметалли-
ческих изделий со стальным корпусом. Низкая температура плавления (400°С)
и высокая жидкотекучесть обеспечивают простоту получения отливок сложной
формы. В биметаллическом исполнении детали изготовляют соединением с
помощью слоя жидкого цинка, наносимого на сталь методом горячего оцинко-
вания.
Обработка цинковых сплавов давлением (прокатка или прессование) при
температурах 205-300°С существенно повышает их механические свойства
(прочность, пластичность, ударную вязкость). Поэтому цинковые сплавы ис-
пользуются и в деформированном виде, например, сплав ЦАМ 9-1,5 применяют
для получения биметаллических полос со сталью и алюминиевыми сплавами
методом проката и последующей штамповки вкладыша. Надежное соединение
со сталью при прокатке достигается через промежуточный алюминиевый под-
слой. Цинковый сплав хорошо схватывается при горячей прокатке в интервале
температур 250-3 00°С.
199
Служебные характеристики трущихся деталей, изготовленных из сплава
ЦАМ 9-1,5 как в биметаллическом, так и монометаллическом исполнении, вы-
сокие. По долговечности, наработке на отказ, износостойкости, ремонтопри-
годности и другим показателям они выше, чем при использовании традицион:
йых бронзовых деталей, если их температура не превышает 100°С. При более
высоких температурах сплавы размягчаются и налипают на вал.
7.2.6. Алюминиевые антифрикционные сплавы
Алюминиевые антифрикционные сплавы (ГОСТ 14113-78) - многоком-
понентные сплавы алюминия с Си, Sn, Ni, Si, Sb и Ti (табл. 7.10), имеющие ге-
терогенные структуры.
Таблица 7.10
Химический состав алюминиевых антифрикционных сплавов
Сплав
АН-2,5
АСМ
А09-1
АОЗ-7
АО20-1
А09-2
АОб-1
АМСТ
Содержание элементов, % масс, в сплавах
Си
-
3,5-6,5
0,8-1,2
7-8,5
0,7-1,2
2-2,5
0,7-1,3
0,7-1,2
Sn
-
-
8-10
2,5-3,5
17-23
8-10
5-7
-
Ni
2,7-3,3
-
-
-
-
-
0,7-1,3
-
Si
-
-
-
0,6-1,2
0,3-0,7
-
-
Sb
-
0,3-0,7
-
-
-
-
-
4,6-6,5
Ti
-
-
0,02-0,1 |
-. !
0,02-0,2
-
-
0,03-0,12
Примечания: 1. Остальное - алюминий.
2. В сплаве АОЗ-7 0,5-0,8%Мп, в сплаве АМСТ 0,03-0,3%Те.
Алюминиевые сплавы классифицируют преимущественно по микро-
структурному признаку с учетом твердых структурных составляющих (FeAl3,
Al3Ni, CuAl2, Mg2Si, AlSb, Si и др.) в пластичной основе металла. Эти сплавы
обладают сравнительно высокой прочностью, в том числе и сопротивлением
усталости, коррозии, сравнительно дешевые и не дефицитные, имеют малую
плотность, что требует небольшого расхода металла на единицу изделия. Соче-
тание этих свойств с высокими триботехническими характеристиками обеспе-
чило этим сплавам широкое применение в качестве антифрикционных. Из
алюминиевых сплавов изготовляют трущиеся детали в монометаллическом и
биметаллическом исполнении. Из монометалла получают литьем различные
втулки, подшипники, шарниры и др. Из биметалла штампуют подшипники ко-
ленчатых валов различных двигателей, изготовляют свертные втулки и другие
трущиеся детали. Заготовки для штамповки подшипников производятся либо с
помощью совместной прокатки, либо соединением слоев посредством направ-
ленного взрыва. Монометаллические подшипники изготовляют из сравнитель-
но твердых и прочных сплавов, а биметаллические - из пластичных и менее
твердых.
200
Для тяжелонафуженных скоростных подшипников (в автомобилестрое-
нии, тракторостроении, транспортном машиностроении) разработаны алюми-
ниево-оловянные сплавы, обладающие повышенной задиростойкостью. Они
содержат до 40% Sn, а некоторые дополнительно легированы свинцом. Такие
сплавы обладают способностью хорошо сопротивляться задиру при ультратон-
ких смазочных слоях.
Хорошие антифрикционные свойства создаются в сплавах, содержащих
мягкие фазы за счет определенного количества олова, свинца, кадмия. Под-
шипники из таких сплавов могут применяться без покрытия вкладышей мягким
металлом. Все остальные сплавы используются с покрытиями на основе сплава
олова со свинцом. Толщина покрытий обычно составляет 0,02-0,03 мм. Наи-
большее распространение получил сплав АО20-1.
Возможность использования сплавов без покрытий определяется выжи-
маемостью олова или оловянно-свинцовой фазы при контактировании метал-
лических поверхностей. При этом на вкладышах образуется защитная пленка
мягкой фазы, которая и обеспечивает нужный комплекс трибологических
свойств, включая и совместимость трибосистем.
7.2.7. Порошковые антифрикционные материалы
Метод порошковой металлургии антифрикционных сплавов заключается
в подготовке порошков - смешении их до равномерного содержания компонен-
тов, брикетировании порошков и спекании. После спекания осуществляется на-
сыщение пор маслом, если нужно, калибрование и, при необходимости, меха-
ническая обработка деталей. Методом порошковой металлургии изготовляют в
основном антифрикционные материалы на основе железа, меди и их сплавов.
Наиболее распространенными являются порошковые антифрикционные
материалы на основе железа, в частности пористое железо и железографито-
вый материал, поры которых пропитаны маслом. Самосмазываемость у них
обеспечивается также введением в шихту графита, сернистого цинка, сульфи-
дов, дисульфида молибдена, нитрида бора и др.
Ферритное пористое железо, пропитанное маслом, имеет следующие
свойства: плотность 5,1-6,6 г/см3, твердость 35-80 НВ, предел прочности при
растяжении 100-220 МПа, предел прочности при сжатии 650-700 МПа, модуль
упругости 75000-145000 МПа, относительное удлинение 5-13%. Пористое же-
лезо используется в легких условиях работы при давлении 2-2,5 МПа и скоро-
сти скольжения до 2 м/с.
При наличии в железе структурно-свободного графита повышается его
антифрикционность, особенно в условиях смешанного трения. Железографито-
вые материалы имеют перлитно-ферритную структуру. Количество ферритной
составляющей зависит от исходного содержания графита и условий спекания.
Наиболее износостойкой является перлитная структура. Примером может слу-
жить железографит ЖГрЗ, имеющий следующие свойства: плотность 5,5-5,9
г/см3, твердость 49-90 НВ, предел прочности при сжатии 750-800 МПа, предел
прочности при изгибе 120-150 МПа, коэффициент трения по стали со смазкой
201
0,006-0,009 и в режиме самосмазывания 0,01-0,08, максимально допустимая на-
грузка (при v до 2 м/с) 15 МПа, рабочая температура 100-300"С.
С увеличением содержания графита повышается антифрикционность, но
снижаются прочность, ударная вязкость и твердость. Содержание графита
обычно не превышает 10% масс.
В качестве легирующих добавок используют медь, серу, иногда фосфор.
Медь значительно повышает прочность пористого железа, благоприятно влияет
на его спекаемость и позволяет регулировать изменение размеров при усадке в
процессе спекания. Ее содержание колеблется от 0,5 до 20%. При изготовлении
подшипников содержание меди обычно колеблется в пределах 5-9%.
Медные порошковые материалы получили широкое распространение в
связи с хорошими антифрикционными свойствами и высокой электропровод-
ностью. Они используются в различных узлах трения и скользящих токосъем-
ных контактах в электротехнике.
Меднографитовые материалы используют в основном для производства
электроконтактов, радиальных уплотнений и электрощеток. В меднографито-
вых композициях медь обеспечивает высокую электропроводность, а графит
повышает износостойкость и обеспечивает стабильность работы. Содержание
графита колеблется от нескольких процентов до 75%. Иногда для улучшения
свойств щеточных материалов добавляют олово, свинец и цинк.
Пористая оловянная бронза содержит 6-12% олова. Широко применяемая
бронза БрОЮ при пористости 20-30% имеет следующие свойства: плотность 6-
7 г/см3, твердость 245-392 НВ, ав = 75-127 МПа, S^ 5%. Из пористой бронзы
изготовляют подшипники текстильных и бытовых машин, маломощных элек-
тромоторов, пусковых установок, вентиляторов, приборов (v < 1,5 м/с кр = 0,5-
1 МПа). Они пропитаны смазочным материалом и могут работать без его до-
бавления 300-5000 ч при температуре от -60 до +120°С, при этом коэффициент
трения составляет 0,01-0,04.
В бронзографитовых материалах графит выполняет роль твердой смаз-
ки. Его содержание колеблется от 1 до 25%. Бронзографитовые трущиеся дета-
ли выдерживают большие нагрузки и скорости, чем бронзовые. Так, материал
БрОГр9-3 при нористости около 20% имеет следующие свойства: твердость
177-294 НВ, с% = 79-147 МПа, S = 5-10%. Бронзографитовые материалы ис-
пользуются в подшипниках мотоциклов, тракторов, в циркуляционных насосах
для горячей воды, в водомасляных смесях, щетках электродвигателей и др.
Свинцовая бронза используется преимущественно для изготовления би-
металлической полосы, из которой затем штампуют вкладыши. Технологиче-
ский процесс изготовления биметаллической полосы предусматривает электро-
литическое покрытие стальной полосы слоем меди 0,01 мм для лучшего сцеп-
ления с бронзой, нанесения слоя порошка свинцовой бронзы и спекания его при
800-900°С, охлаждения и прокатки полосы с обжатием, обеспечивающим проч-
ное соединение слоя. Полученные заготовки штампуются и механически обра-
батываются. После электролитического нанесения слоя мягкого металла (РЬ,
202
Sn, Cu, In) вкладыши используются для различных двигателей грузовых авто-
мобилей, судов, тепловозов и других, работающих со смазкой.
Сложнолегированные бронзы. Легирование бронз Ti, Ni, Zn, Co, Fe, Al,
Сг, Р, Мп повышает их прочность. Для упрочнения используют также туго-
плавкие соединения (В4С и др.).
Спеченные латуни используют для изготовления подшипников, рабо-
тающих со смазочным материалом. В некоторых случаях в латунь вводят до
1,5% РЬ и 0,25-0,8% Р.
Помимо рассмотренных компонентов, в антифрикционные порошковые
материалы добавляют сульфиды, селениды, фториды, фторопласты и др. Осо-
бенно широкое распространение получили метаплографитопластовые мате-
риалы, предназначенные для подшипниковых узлов, работающих в широком
диапазоне нагрузочно-скоростных режимов. Они способны работать без сма-
зочного материала в различных газовых средах, в вакууме, в диапазоне темпе-
ратур от -200 до +300°С. Подшипники из такого материала состоят из стальной
основы (08кп, Юкп), тонкого напеченного пористого слоя из высокооловяни-
стой бронзы (-0,3 мм), поры которого заполнены смесью фторопласт-4 с ди-
сульфидом молибдена.
Все большее распространение получают также алюминиевые порошковые
материалы. Достаточная антифрикционность достигается в них за счет введе-
ния в состав твердых смазок, таких как графит, дисульфид молибдена, сульфи-
ды и др. Для производства подшипников двигателей автомобилей используют
алюминиево-свинцово-оловянный сплав, спеченный со стальной лентой. Фор-
мирование слоя сплава осуществляется прокаткой. Из такой ленты изготовляют
вкладыши методом штамповки.
7.2.8. Антифрикционные неметаллические материалы
Достаточно широкое применение находят и неметаллические подшипни-
ковые материалы, изготовленные на основе полимеров, древесины, резин, фто-
ропластовых тканей, углеграфитовых материалов.
Антифрикционные материалы на основе полимеров предназначены, как
правило, для работы с жидкостями, не обладающими смазочными свойствами
(водой И др.), и без смазки (в том числе в вакууме). В полимеры часто вводят
различные наполнители. Используют полимеры и в качестве материалов, за-
полняющих поры конструкционной основы (металлической, углеграфитовой,
древесной). Полимеры являются также частью (связующим) большинства твер-
досмазочных покрытий, применяемых главным образом в вакууме и некоторых
газовых средах, в которых использование жидких и пластичных смазок недо-
пустимо.
Антифрикционные самосмазывающиеся пластмассы (АСП). Обеспе-
чивают возможность существенного упрощения конструкции подшипниковых
узлов, снижения трудоемкости при изготовлении и эксплуатации, уменьшения
габаритов и массы, экономии нефтяных смазочных материалов. По составу
АСП можно разделить на несколько групп.
203
азом
ой
Первая группа - композиции, содержащие в полимере главным обра..,
антифрикционные добавки: наполнители со слоистой анизотропной структура,
(графит, дисульфид молибдена и другие халькогениды металлов V-V1 групп
периодической системы элементов, нитрид бора и т. п.), антифрикционные по-
лимеры (полиэтилен, фторопласт-4 и другие фторполимеры) и жидкие или пла-
стичные смазочные материалы (АСП типа "маслянитов"). При работе на возду-
хе и в газах с нормальной влажностью в качестве наполнителя применяют гра-
фит, в осушенных газах (в том Числе инертных) и в вакууме - дисульфид мо-
либдена.
Механические и теплофизические свойства АСП с антифрикционными
добавками мало отличаются от соответствующих свойств наполненных по-
лимеров, им присущи многие недостатки исходных полимеров: низкая тепло-
проводность, высокие и нестабильные значения коэффициента термического
расширения, повышенное водопоглощение и др.).
Вторая группа - композиции с комплексными наполнителями; наряду с
антифрикционными содержат также жесткий прочный наполнитель (например,
кокс; стеклянные, углеродные, металлические или полимерные волокна; ткани;
древесную крошку и шпон; металлические или минеральные порошки). Введе-
ние комплексных наполнителей существенно улучшает физико-механические и
триботехнические свойства АСП.
Третья группа - комбинированные материалы (типа металлофторопла-
стовой ленты) совмещают в себе преимущества составных частей: прочность и
теплопроводность металлической (стальной) основы; высокие тепло-
проводность, прочность и противозадирные свойства напеченного пористого
слоя из антифрикционного сплава; антифрикционные свойства заполняющей
поры и образующей поверхностный слой смеси полимера с наполнителем. Вы-
пускаются комбинированные материалы для работы без смазки (с фторопла-
стом-4) и со смазкой (фторопласт-4 заменен полиформальдегидом).
В качестве основы (связующего) АСП применяют термопластичные и
термореактивные полимеры. Из термопластичных наиболее часто используют
высокопрочные полиамиды, капрон, нейлон, сополимеры формальдегида, по-
ликарбонат, полиакрилаты, полиэтилен, фторопласт-4 и другие фторполимеры.
Из термореактивных связующих применяют почти все известные полимеры
этого типа: фенолформальдегидные, эпоксидные, фурановые и др.
По методу переработки изделия АСП делятся на литьевые, прессовочные,
экструзионные, намоточные. Изделия изготовляют из листовых и стержневых
материалов механической обработкой или предварительной намоткой пропи-
танной ткани с последующим прессованием. Из ленточных материалов типа
металлофторопластовой ленты втулки и подшипники изготовляют штамповкой.
АСП применяют для изготовления втулок подшипников скольжения, уп-
лотнений, поршневых колец, сепараторов шарикоподшипников, направляю-
щих, мелкомодульных зубчатых колес и т.п. Важным показателем АСП явля-
ется теплопроводность. Наибольшей теплопроводностью, приближающейся к
теплопроводности металлов, обладают графитопласты, содержание угле-
204
родного наполнителя в которых достигает 75-85%. Однако такие материалы
обладают малой сопротивляемостью ударным разрушениям, что ограничивает
их применение в узлах трения, подверженных вибрациям и ударам. Для работы
в этих условиях используют низконаполненные термопласты и материалы с во-
локнистыми или ткаными наполнителями (типа текстолита).
Наполненные фторполимеры. Фторопласт-4 (политетрафторэтилен) об-
ладает хорошими антифрикционными свойствами при трении без смазки по са-
мому себе, металлам и другим твердым телам. При повышении температуры
коэффициент зрения снижается, в диапазоне отрицательных температур - рас-
тет. В отличие от большинства других материалов значения коэффициента тре-
ния фторопласта-4 по самому себе и другим материалам с повышением скоро-
сти скольжения не снижаются, а растут. Вследствие этого фторопласт-4 обла-
дает высокими антискачковыми и демпфирующими свойствами. Но он облада-
ет низкими механической прочностью, износостойкостью и теплопроводно-
стью и высоким коэффициентом термического расширения. Введение наполни-
телей во фторопласт, без изменения коэффициента трения существенно повы-
шает его износостойкость и механические свойства.
В нашей стране выпускаются композиционные антифрикционные мате-
риалы на основе фторопласта-4 с различными наполнителями (% масс):
Ф4Г2Ш7 (21% графита с 7% дисульфида молибдена); Ф4Г20М5СЮ (20% гра-
фита, 5% дисульфида молибдена и 10% рубленого стекловолокна); Ф4К20 (20%
кокса); Ф4ГЗ (3% графита). Разработаны и другие композиционные материалы
на основе фторопласта-4 (наполненные фторопласты): ФН-202, ФН-3 (10% по-
рошка никеля, 3% нитрида бора и дисульфида молибдена); МС-13 (добавки ме-
ди и дисульфида молибдена); АМИП-15М (15% ситалла и 3-5% дисульфида
молибдена).
Износостойкость приведенных материалов на два-три порядка выше, чем
исходного полимера. Значения коэффициента трения приблизительно такие же,
как у чистого фторопласта-4.
Композиционные материалы на основе фторопласта-4 могут работать без
смазки при нагрузке до 14 МПа. Обычно их применяют при скоростях сколь-
жения не более 1,0 м/с. Допустимые значения произведения pv при работе без
смазки не больше 0,1-0,2 МПа-м/с.
Мегаллофторопластовые материалы. Предназначены для подшипни-
ковых узлов машин и приборов, работающих в широком диапазоне условий.
Они состоят из стальной основы (стали 08кп, Юкп), тонкого напеченного по-
ристого слоя из высокооловянистой бронзы (0,3 мм), поры которого заполнены
смесью фторопласта-4 с дисульфидом молибдена. Подшипники скольжения,
изготовляемые штамповкой из такого материала, способны успешно работать
без смазки в различных газовых средах (в том числе и химически активных) и в
вакууме, а также при недостаточной смазке в диапазоне температур от -200 до
+300°С, выдерживая удельные нагрузки до 150 МПа.
Подшипники скольжения из металлофторопластового материала приме-
няются в авиации, машиностроении для легкой и пищевой промышленности,
205
автомобилестроении, электротехнической промышленности, в аксиально-
поршневых насосах гидроприводов кузнечно-прессового оборудования. Пер-
спективно их применение в сельхозмашиностроении (в том числе в конструк-
ции зерноуборочных комбайнов), в станкостроении взамен игольчатых под-
шипников качения и монометаллических бронзовых подшипников, для высоко-
вольтной аппаратуры, в роботостроении.
По типу металлофторопластового разработан и выпускается промышлен-
ностью ленточный комбинированный материал для работы со смазкой. От-
личие его от металлофторопластового заключается в использовании вместо
фторопласта-4 другого полимера (полиформальдегида) и наполнителя. В по-
верхностном полимерном слое в шахматном порядке сделаны углубления для
удержания смазки.
Антифрикционные материалы на основе древесины, резин и фторо-
пластовых тканей. При смазке водой в качестве антифрикционных материалов
используют резины различного состава. Разработан способ прививки к поверх-
ности резин фторуглеродных молекул, что придает им антифрикционные и ан-
тиадгезионные свойства при трении без смазочного материала (скользкие резины).
Достаточно широкое применение находят антифрикционные материалы
на основе древесины. Используется древесина твердых пород, содержащая
смолистые, обладающие смазочным действием вещества. Менее ценные поро-
ды дерева модифицируют (уплотняют, пропитывают смазочными материалами,
полимерами, соединениями металлов).
Для подшипников скольжения используют материалы ДСП. Древесная
крошка и шпон применяются в качестве наполнителей в древпластах - анти-
фрикционных, материалах на основе полимеров.
Расширяется применение тканых антифрикционных материалов. Они со-
стоят из волокон (нитей) фторопласта-4, сотканных вместе с волокнами из дру-
гих материалов (полимеров, металлов и др.) таким образом, что лицевая сторо-
на состоит преимущественно из волокон фторопласта-4, а обратная - из воло-
кон второго материала.
Углеграфитовые антифрикционные материалы. Для работы без смаз-
ки в некоторых газовых и жидких агрессивных средах в широком диапазоне
температур (от -200 до +2000°С) нашли применение графитовые антифрикци-
онные материалы. Они отличаются высокими теплопроводностью и электро-
проводностью, термической стойкостью в нейтральных и восстановительных
газовых средах и низкими значениями коэффициента термического расшире-
ния. Графитовые материалы стойки в большинстве кислот и щелочей, раство-
рах солей и органических растворителях. При трении по ряду металлов без
смазки коэффициент трения графитовых материалов может составляет 0,04-
0,05. В вакууме и в обезвоженных газах значения коэффициента трения могут
возрастать на порядок, что сопровождается интенсивным пылевидным изнаши-
ванием.
Углеграфитовые антифрикционные материалы применяют при изготовле-
нии поршневых колец компрессоров для сжатия газов и холодильных агрега-
206
тов, подвижных уплотнений для герметизации газовых и жидких сред, под-
шипников скольжения (работающих в газовых и жидких средах в широком
диапазоне температур и скоростей скольжения), различных направляющих.
7.2.9. Фрикционные материалы
Тормозные устройства из фрикционных материалов предназначены для
превращения кинетической энергии движущихся масс в теплоту при со-
хранении их работоспособности для последующих многократных циклов тор-
можения. При работе в сцеплениях они должны надежно обеспечить передачу
движения от двигателя к исполнительному механизму.
К специфическим условиям работы фрикционных материалов относятся:
1) широкий диапазон скоростей скольжения (до 50 м/с, а иногда и выше) и на-
грузок (до десятков тонн); 2) высокий уровень нагрева трущихся поверхностей
вследствие фения без смазки; 3) трение в нестационарных условиях при мно-
гократных нагревах и охлаждениях; 4) различная продолжительность контакти-
рования трущихся поверхностей.
При таких режимах работы фрикционная трибосистема должна обладать
способностью тормозить в заданных условиях; коэффициент трения должен
быть в пределах 0,2-0,5. Коэффициент трения изменяется в зависимости от
многих параметров (скорости, нагрузки, температуры) и определяется также
видом материалов трущихся поверхностей.
Разработаны и применяются фрикционные материалы для весьма легких
(температура на поверхностях трения до 100°С), легких (до 250°С), средних (до
600°С), тяжелых и сверхтяжелых (до 1000°С и выше) условий работы. При экс-
плуатации фрикционных материалов в масле температура обычно не превыша-
ет 100-150°С.
Для легких условий эксплуатации в качестве фрикционных материалов
находят применение стали, чугуны и бронзы. Однако для них характерны не-
стабильные значения коэффициента трения (сильно зависящие от скорости
скольжения и температуры) и склонность к схватыванию, особенно при повы-
шенных температурах. Для фрикционных устройств, работающих при условиях
эксплуатации средней тяжести, применяют асбофрикционные материалы и спе-
ченные материалы на основе бронз. Для тяжелых и сверхтяжелых условий экс-
плуатации применяют спеченные материалы на железной основе, а в последние
годы - углеродные материалы (углеродные или графитовые волокна в углерод-
ной матрице). При выборе материала принимается также во внимание способ-
ность прирабатываться и сопротивление изнашиванию.
Тормозные детали (накладки, колодки и др.) испытывают напряжения
сжатия, растяжения, сдвига, в ряде случаев ударные нагрузки. Поэтому должны
учитываться характеристики механических свойств (пределы текучести при
растяжении и сжатии, пределы прочности, ударная вязкость, твердость) как при
комнатной, так и рабочей температурах. Из физических свойств большое зна-
чение имеют теплоемкость и теплопроводность, от которых в значительной ме-
207
ре зависит температура, возникающая при торможении. Тепловой режим тре-
ния'зависит также от конструкции и размеров фрикционного сочленения.
В тяжелых условиях эксплуатации при работе без смазки наиболее дол-
говечными и износостойкими Являются легированные чугуны. Лучшие свойства
имеют чугуны с перлитной основой. Феррита допускается не более 10%. При
более высоком содержании феррита снижается коэффициент трения и облегча-
ется схватывание поверхностей. Срок службы тормозных колодок вагонов же-
лезнодорожного транспорта из чугунов с высоким содержанием фосфора (до
3%) по сравнению с серым чугуном, не содержащим фосфора, повышается в
среднем на 12% . При этом уменьшается также интенсивность изнашивания ко-
лес.
В качестве фрикционных материалов часто применяются также стали
ЗОХГСА, 65Г и 12X18Н9Т. Перспективно применение спеченных фрикционных
материалов на основе железа и меди. Из материалов на железной основе наи-
большее распространение получили материалы ФМК-8, ФМК-11, МКВ-50А и
СМК-80 (табл. 7.11).
Таблица 7.11
Состав наиболее употребительных фрикционных порошковых материалов на
основе железа
Материал
ФМК-8
ФМК-11
МКВ-50А
СМК-80
Содержание компонентов, % масс.
Fe
45
64
64
48
Си
-
15
10
23
Ni
25
0
0
0
Графит
7
9
8
0
Si02
-
3
0
0
Асбест
-
3
3
0
Другие добавки
10 Сг, 6 W; 7 Cu2S
6BaS04
5 FeSO^SiC; 5 В4С
6,5 Mn; 6,5 BN; 10 B4C;
3,5 SiC; 2,5 MoS2
Фрикционные спеченные материалы на основе меди (табл. 7.12) приме-
няются при работе без смазки. Оловянистые бронзы обладают высоким коэф-
фициентом трения и по сравнению с железными материалами изнашиваются
меньше вследствие меньшей способности схватываться с материалом контртела.
Таблица 7.12
Состав фрикционных порошковых материалов на медной основе, % масс.
Си
68-76
60-75
18
68-86
75
Sn
8-10
6-10
2
5-10
8
Pb
7-9
20
3
5-15
5
Fe
3-5
5
3
2
4
Гра-
фит
6-8
1-8
3
4-8
1-20
Ас-
бест
0
0
30
3
0
Si02
0
0
0
3
0
Другие добавки
-
Ti,V,Si,As,flo6MoS2
40 стеклянной ваты,
10 сульфида алюминия
До2М
0,75 Si; 6 Zn
208
В тормозах автотранспорта, тракторов, железнодорожного транспорта
. нащди.щирокое прнцетнтасбофрикциоцные материсшы. Главным.. фрикци-
онным компонентом этих материалов является асбест, обеспечивающий тепло-
стойкость материала. Асбест обладает способностью очищать поверхность тре-
ния от загрязнений, что способствует высоким значениям коэффициента трения
(до 0,8). В качестве армирующих компонентов "используются также шлаковая
или минеральная вата, стеклянные, базальтовые, углеродные и другие волокна.
, Наполнителями являются железный сурик, баритовый концентрат, оксиды
хрома и других металлов, глинозем, каолин, вермикулит, мел и др. Широко ис-
пользуются и углеродные наполнители: измельченной кокс, графит, техниче-
ский углерод. Для повышения теплопроводности добавляют металлические на-
полнители в виде порошков или стружки меди, латуни, цинка, алюминия, желе-
за и др. Связующими в фрикционных полимерных материалах являются каучу-
ки, смолы и их комбинации.
Фрикционные асбополимерные детали крепятся к металлическому кар-
касу или основе (колодке, ведомому диску сцепления и т.п.) различными меха-
ническими способами, приклеиванием, приформованием в процессе изготовле-
ния.
Интенсивность изнашивания асбофрикционных материалов с повыше-
нием температуры (до 600°С) возрастает. В основе механизма износа лежит
сначала деструкция полимерного связующего, а затем процессы окисления и
выгорания ряда компонентов.
Трение и изнашивание асбополимерных материалов осложнено проте-
кающими физико-химическими процессами, обусловленными влиянием окру-
жающей среды и высоких температур. Эффективность применения таких мате-
риалов может быть существенно повышена созданием в зоне трения опреде-
ленной газовой среды.
В связи с тем, что асбест небезопасен для здоровья, ведутся исследова-
ния, направленные на создание безасбестовых фрикционных материалов. Од-
ним из возможных перспективных заменителей асбеста является высоко-
прочное и теплостойкое волокно Кевлар. Износостойкость фрикционных на-
кладок, содержащих Кевлар, может быть выше асбестовых, в том числе и при
высоких температурах (волокно не плавится). В ряде случаев целесообразно
применять углеродные волокна. Использование стальных волокон обеспечивает
высокую тормозную эффективность, но при этом наблюдается повышенное из-
нашивание контртела.
Изложенный в настоящей главе материал позволяет обоснованно подойти
к выбору материалов трущихся деталей с целью обеспечения их износостойко-
сти при эксплуатации.
209
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 7
1. Как классифицируются материалы триботехнического назначения?
2. Что означает понятие антифрикционное™?
3. Какими способами повышают износостойкость сталей?
4. От каких факторов зависит износостойкость сталей? Можно ли оцени-
вать износостойкость только по твердости?
5. Какими факторами определяется ресурс работы зубчатых колес? Ка-
кие стали и с какой упрочняющей обработкой используют при их изготовле-
нии?
6. Какие стали применяют в условиях ударно-абразивного изнашивания?
Каковы особенности их химического состава и структуры?
7. Приведите структурную классификацию износостойких белых чугу-
нов.
8. Как влияют карбиды на механические свойства и износостойкость бе-
лых чугунов?
9. Какую роль играет металлическая матрица в белых чугунах? Какая
матрица обеспечивает наиболее высокую износостойкость в условиях ударно-
абразивного изнашивания?
10. В чем особенность структуры и триботехнических свойств чугунов-
композитов?
11. Что собой представляют половинчатые чугуны? Каковы их триботех-
нические свойства?
12.Приведите классификацию, маркировку, способ получения и области
применения вольфрамосодержащих твердых сплавов.
13.Что собой представляют безвольфрамовые твердые сплавы? Приведи-
те их маркировку и химические составы.
14. Какие материалы считаются сверхтвердыми? Каково их применение?
15. Какие вы знаете керамические износостойкие материалы?
16.Что собой представляют ситаллы? Каково их применение?
17. Какие требования предъявляются к антифрикционным материалам?
Как классифицируются эти материалы?
18. Каковы критерии выбора антифрикционных материалов?
19. Что понимают под совместимостью материалов в парах трения? Какие
сочетания материалов наиболее целесообразны, допустимы и недопустимы?
20.Что собой представляют графитизированные стали, как их получают и
каково их применение?
21. Каковы марки, свойства и применение антифрикционных чугунов?
Как оцениваются предельные условия работы этих чугунов?
22. Как зависит коэффициент трения антифрикционных чугунов (по ста-
ли) от скорости скольжения, удельной нагрузки и температуры?
23.Что собой представляют латуни и бронзы? Какова их маркировка? Ка-
кие латуни и бронзы используются в качестве антифрикционных?
24. Что собой представляют баббиты? Какие виды баббитов вы знаете?
210
25.В чем особенность структуры баббитов? Каковы их свойства и приме-
нение?
26. Что собой представляют сплавы ЦАМ и где они применяются? Как
получают биметаллические изделия из этих сплавов?
27. Какие вы знаете марки алюминиевых подшипниковых сплавов? Как
получают и где применяют моно- и биметаллические изделия с этими сплава-
ми? '
28.Как и из каких компонентов получают порошковые антифрикционные
материалы на основе железа?
29. Каковы свойства и применение пористого железа и сплава ЖГ'рЗ?
30. В чем особенности и преимущества меднографитовых и бронзографи-
товых материалов? Каково их применение?
31. Какие виды антифрикционных самосмазывающихся пластмасс вы
знаете? Каковы их состав и применение?
32. В каких случаях целесообразно использовать антифрикционные мате-
риалы на основе древесины, резин, фторопластовых тканей, графита?
33. Каковы особенности режимов работы тормозных устройств? Какие
материалы используются в качестве фрикционных?
211
ГЛАВА 8. КОМПОЗИЦИОННЫЕ И НАНОСТРУКТУРНЫЕ
МАТЕРИАЛЫ
Композиционными называют материалы, в состав которых входят конст-
руктивные элементы, разделенные выраженной границей и резко отличающие-
ся по свойствам, например пластичная матрица и прочный (но часто хрупкий)
упрочнитель. Свойства композиционных материалов определяются свойствами
и количеством входящих в них составляющих, а также прочностью связей меж-
ду ними. Но в общем случае такие свойства, как высокотемпературная проч-
ность, сопротивление усталости, удельная прочность в композиционных мате-
риалах выше, чем в обычных конструкционных сплавах.
К напоструктурным (нанокристаллическим, нанофазным, наноразмер-
ным и т.п.) материалам относят объекты с характерным структурным размером
менее 100 нм.
Применение таких материалов в узлах трения позволяет обеспечить изно-
состойкость трибосоединений в тех случаях, когда применение традиционных
материалов оказывается неэффективным.
8.1. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Различают искусственные композиты, уровень свойств которых реализу-
ется подбором его компонентов, и естественные композиты, получаемые пу-
тем естественного структурообразования. Искусственные композиты могут
иметь разную матрицу: металлическую (сплав или монометалл) и неметалличе-
скую (полимерную, углеродную, керамическую). Разработаны также и поли-
матричные материалы, в которых чередующиеся слои матрицы могут иметь
различный состав.
Компоненты, равномерно распределенные в матрице, называют арми-
рующими наполнителями, или упрочнителями. В зависимости от формы напол-
нителя композиты делят на дисперсно-упрочненные, волокнистые и слоистые.
В дисперсно-упрочненных материалах равноосные частицы наполнителя
ориентированы беспорядочно, в волокнистых - оси волокон могут быть ориен-
тированы вдоль одного из направлений (однонаправленные композиты), в не-
скольких направлениях (двух и более) или без ориентации в определенном на-
правлении (неориентированные композиты). В слоистых композитах слои не
обязательно должны быть сплошными пластинами, они могут быть заполнены
расположенными упорядочение в плоскости частицами либо волокнами, уло-
женными в параллельных плоскостях. Иногда в одном композиционном мате-
риале используют несколько различных наполнителей. Такие композиционные
материалы называют полиармированными.
В зависимости от расположения упрочнителя проявляется и анизотропия
свойств композиционного материала. Наибольшее упрочнение достигается при
одноосном расположении волокон, ориентированных в направлении приложе-
212
ния нагрузки. К упрочнителям предъявляются определенные требования. Они
должны обладать высоким модулем упругости, высокой прочностью, термо-
стойкостью, химической инертностью по отношению к матрице.
8.1.1. Искусственные композиты с металлической матрицей
.Дисперсно-упрочненные композиционные материалы. Наполнителя-
ми служат'частицы оксидов, карбидов, нитридов, боридов и других соединений
(AI2O3, BeO; SiC; BN, В4С). Обычно такие материалы изготовляют порошко-
вым методом. Жаропрочность их составляет до 1200°С.
Из числа дисперсно-упрочненных материалов на алюминиевой основе
промышленное использование получили так называемые САПы (спеченная
алюминиевая пудра). Сплавы состоят из алюминиевой матрицы, в которой рас-
пределены частицы оксида алюминия А12Оз. В различных САПах размер час-
тиц изменяется от 10 до 50 мкм, а их объемная доля - от 6-8 до 18-22%. Проч-
ность сплавов возрастает с увеличением объемной доли оксида. В промышлен-
ности используют и дисперсно-упрочненные жаропрочные композиты с матри-
цами на титановой, никелевой и алюминиевой основах. Разработаны и компо-
зиционные коррозионно-стойкие сплавы.
При создании искусственных композиционных сплавов вопрос о совмес-
тимости входящих в них компонентов является одним из важнейших. Специ-
фика работы коррозионно-стойких композитов требует электрохимической со-
вместимости компонентов.
Известно, что многие карбиды (TiC; ZrC; Mo2C), нитриды (TiN; ZrN;
NbN; TaN), бориды (TiB2; VB2; CrB2; Mo2B2), силициды (VSi2; TiSi2; Mo2Si;
TaSi2) обладают высокой коррозионной стойкостью в различных агрессивных
средах. Но эти соединения хрупки, нетехнологичны, поэтому необходимо соз-
давать композиционные материалы с пластичной и одновременно коррозионно-
стойкой матрицей. Композиты, включающие в качестве наполнителя перечис-
ленные соединения, получили в литературе наименование керметов.
К коррозионно-стойким композитам относятся также ферротитаниды (ос-
нова - легированные сплавы на основе железа, упрочняющая фаза -TiC). Фер-
ротитанид, легированный хромом, молибденом, вольфрамом, алюминием и ни-
келем, используют для подшипников и шаров мельниц, работающих в агрес-
сивных условиях. Сплавы с легированной железной матрицей, упрочненные
карбидами TiC, NbC, VC, используют как коррозионно-стойкие и из-
носостойкие, в частности для изготовления инструмента, применяемого при
вальцовке в консервной промышленности.
Волокнистые композиционные материалы. Упрочнителями таких ма-
териалов являются волокна неметаллических материалов (С, В), тугоплавких
соединений (А12Оз, ТпОг, SiC) или проволока из тугоплавких металлов (вольф-
рама, молибдена и др.). Диаметр волокон может меняться от 1 до 50 мкм (ните-
видные монокристаллы), а диаметр проволоки обычно составляет доли милли-
метра. Длина волокон в десятки раз превышает их диаметр. Волокнистые мате-
риалы анизотропны. При одинаковой объемной доле упрочнителя более высо-
213
кая прочность обеспечивается большей длиной волокон. При высоких темпера-
турах длительная прочность волокнистых композитов выше, чем дисперсно-
упрочненных или чем в стареющих жаропрочных сплавах.
В промышленности волокнистые композиты используют большей частью
для изготовления деталей простой формы (пластин, клиньев, колец и т.п.). На-
шли применение волокнистые композиты с алюминиевой матрицей, армиро-
ванной проволокой из коррозионно-стойких (нержавеющих) сталей либо бор-
ными и углеродными волокнами. В алюминиевых композитах, армированных
стальной проволокой диаметром 0,15 мм, достигаются значения егв = 3600 МПа.
Для повышения модуля упругости алюминиевых композитов используют бор-
ные волокна.
Применяются также волокниты на основе титановых сплавов. Для уп-
рочнения используют молибденовую проволоку, а также волокна WC и AI2Oj
при их объемной доле 25-30%. Армированные титановые сплавы способны ра-
ботать до 540°С.
Наибольшее применение композиционные сплавы на алюминиевой и ти-
тановой основах находят в авиации и космической технике, где требуется вы-
сокая удельная прочность. Их используют также в машиностроительной, хими-
ческой и других отраслях промышленности.
8.1.2. Искусственные композиты с неметаллической матрицей
В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углерод-
ные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распро-
странение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиимидная.
Угольные матрицы получают из синтетических полимеров, подвергнутых пи-
ролизу. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиге и
сжатии и сопротивление усталостному разрушению.
Упрочнителями служат волокна стеклянные, углеродные, борные, орга-
нические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нит-
ридов и др.), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочно-
стью и жесткостью.
Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60-
80 об. %, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кри-
сталлами) 20-30 об. %. По виду упрочнителя композиционные материалы под-
разделяют на стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами,
бороволокниты и органоволокниты.
В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим,
укладываются параллельно друг другу'.в плоскости укладки. Плоскостные слои
собираются в пластины. Можно создавать материалы как с изотропными, так и
с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами,
варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по
толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.
214
Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендику-
лярных нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и ок-
ружном направлениях. Трехмерные материалы могут быть любой толщины.
Карбоволокниты (углепласты). Представляют собой композиции, со-
стоящие из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в виде угле-
родных волокон (карбоволокон). Применяются пространственно армированные
структуры.
Высокая энергия связи С-С углеродных волокон позволяет им сохранять
прочность при разных температурах. От окисления поверхности волокна пре-
дохраняют защитными покрытиями (пиролитичсскими). В отличие от стеклян-
ных волокон карбоволокна плохо смачиваются связующим, поэтому их подвер-
гают травлению. Связующими служат синтетические полимеры (полимерные
карбоволокниты); синтетические полимеры, подвергнутые пиролизу (коксо-
ванные карбоволокниты); пиролитический углерод (пироуглеродные карбово-
локниты).
Карбоволокниты отличаются высоким статическим и динамическим со-
противлением усталости, они водо- и химически стойкие. Теплопроводность
углепластиков в 1,5-2 раза выше, чем у стеклопластиков.
Карбостекловолокниты содержат наряду с угольными стеклянные волок-
на, что удешевляет материал.
Карбоволокниты с углеродной матрицей получают из обычных полимер-
ных карбоволокнитов, подвергнутых пиролизу в инертной или восстановитель-
ной атмосфере. Образующийся при пиролизе связующего кокс имеет высокую
прочность сцепления с углеродным волокном. В связи с этим композиционный
материал обладает высокими механическими и абляционными свойствами,
стойкостью к термическому удару.
Полимерные карбоволокниты используют в судо- и автомобилестроении
(кузова гоночных машин, шасси, гребные винты); из них изготовляют подшип-
ники, панели отопления, спортивный инвентарь, части ЭВМ. Высокомодульные
карбоволокниты применяют для изготовления деталей авиационной техники,
аппаратуры для химической промышленности, в рентгеновском оборудовании
и др.
Карбоволокниты с углеродной матрицей заменяют различные типы гра-
фитов. Они применяются для тепловой защиты, дисков авиационных тормозов,
химически стойкой аппаратуры.
Бороволокниты. Представляют собой композиции из полимерного свя-
зующего и борных волокон в качестве упрочнителя. Помимо непрерывного
борного волокна, применяют комплексные боростеклониты, в которых не-
сколько параллельных борных волокон оплетаются стеклонитью, придающей
формоустойчивость. Использование боростеклонитей облегчает технологиче-
ский процесс изготовления материала. В качестве матриц для получения боро-
волокнитов'Применяют модифицированные эпоксидные и полиамидные свя-
зующие.
215
Бороволокниты отличаются высокой прочностью при сжатии, сдвиге и
срезе, низкой ползучестью, высокими твердостью, модулем упругости и сопро-
тивлением усталости, теплопроводностью и электропроводимостью, они стой-
ки к воздействию радиации, воды, органических растворителей и горючесма-
зочных материалов.
Изделия из бороволокнитов применяют в авиационной и космической
технике (профили, панели, роторы и лопатки компрессоров, лопасти винтов и
трансмиссионные валы вертолетов и т.д.)
Органоволокниты. Представляют собой композиционные материалы,
состоящие из полимерного связующего и упрочнителей в виде синтетических
волокон. Они обладают малой массой, сравнительно высокими удельной проч-
ностью и жесткостью, стабильны при действии знакопеременных нагрузок и
резкой смене температуры, устойчивы в агрессивных средах и во влажном тро-
пическом климате. Недостатками таких материалов являются сравнительно
низкая прочность при сжатии и высокая ползучесть.
Органоволокниты применяют в электрорадиопромышленности, авиаци-
онной технике, автостроении; из них изготовляют трубы, емкости для реакти-
вов, покрытия корпусов судов и др.
8.13. Естественные композиты
Деление композиционных материалов на искусственные и естественные
обосновывается тем, что в первом случае композиция получается путем искус-
ственного соединения отдельно взятых волокон и матрицы, а во втором случае
' - в результате направленного выделения волокон, пластин или частиц упроч-
няющей фазы. В естественных композиционных материалах упрочняющая фаза
кристаллизуется в виде иголок (нитевидных кристаллов), стерженьков или пла-
стинок. По виду структура этих материалов мало отличается от структуры ис-
кусственных волокнистых и слоистых композиций, но имеет ряд важных осо-
бенностей. В естественных композициях упрочнители по механическим свой-
ствам почти не отличаются от нитевидных кристаллов ("усов"), имеющих уни-
кально высокие механические свойства. Другими особенностями являются ис-
ключительно хорошее сопряжение матрицы с упрочнителем и высокая термо-
динамическая стабильность структуры. Поэтому эффект композиционного уп-
рочнения в таких материалах сохраняется при нагревании до высоких темпера-
тур (вплоть до 0,9 Тпд). Высокая стабильность структуры этих материалов при
рабочих температурах проявляется в значительном сопротивлении ползучести,
что выгодно отличает их от традиционных жаропрочных сплавов.
Естественные композиционные материалы можно классифицировать по
нескольким признакам: характеру матричной и упрочняющей фаз, геометриче-
ской форме и расположению включений упрочняющей фазы, способу получе-
ния композитов. •
По характеру матричных фаз различают две группы материалов: 1) ком-
позиции с пластичной матрицей и прочными, твердыми, но более хрупкими
включениями упрочняющей фазы; 2) материалы с хрупкой матрицей и пла-
216
стачными волокнами. Примером композиций с хрупкой;матрицей может слу-
жить сотовый ледебурит. Роль матрицы в нем играет цементит, а армирующие
волокна образует более вязкая составляющая - аустенит или продукты его рас-
пада, чаще всего перлит со вторичным цементитом. В таких структурах проч-
ность всегда ниже, чем в пластичных и не обладающих высокой прочностью
волокнах- Поэтому целесообразно естественные композиты получать с пла-
стичной и вязкой матрицей.
По геометрической форме включений упрочняющей фазы композиции
подразделяют на волокнистые, пластинчатые и зернистые (дисперсно-
упрочненные).
Волокнистые композиционные материалы обладают высоким пределом
прочности, достаточно высокой вязкостью разрушения; при этом они имеют, по
сравнению с высокопрочными сплавами, меньшую чувствительность к концен-
траторам напряжений и более высокое сопротивление усталостному разруше-
нию.
Пластинчатые композиции отличаются большим объемным содержани-
ем упрочняющей фазы. Однако по эффекту упрочнения такие композиции ус-
тупают волокнистым, особенно при растяжении под углами 45 и 90° к плоско-
сти пластинок. Большая хрупкость таких композиций по направлениям, пер-
пендикулярным пластинам, объясняется тем, что трещины легко пересекают
пластинки упрочняющей фазы и границу раздела фаз. Примером пластинчатых
композиций может служить структура пластинчатого перлита.
Роль структурных факторов сильно проявляется и в зернистых (дисперс-
но-упрочненных) композициях. В них, кроме прямого взаимодействия дислока-
ций с упрочняющими частицами, большое значение имеют границы зерен и
субзерен, которые дают дополнительный вклад в повышение прочности. В та-
ких композициях с помощью деформационно-термической обработки можно
получить направленную структуру с сильно вытянутыми зернами. Дисперсно-
упрочненные материалы выгодно отличаются от традиционных значительным
сопротивлением ползучести и высокой жаропрочностью.
По расположению включений упрочняющих фаз композиты можно под-
разделить на однонаправленные и ненаправленные (различно ориентирован-
ные).
В однонаправленных композитах включения упрочняющей фазы ориен-
тированы по направлению действия растягивающих сил. В этом случае дости-
гается максимальный эффект композиционного упрочнения. Однонаправлен-
ные композиционные структуры получают чаще всего путем направленной
кристаллизации эвтектик (НКЭ). Параметры структуры НКЭ зависят от скоро-
сти охлаждения сплавов. По структуре НКЭ делят на пластинчатые и волокни-
стые. Расстояния между пластинками или волокнами зависят от соотношения
объемных долей компонентов в НКЭ и скорости кристаллизации. Упрочняю-
щими фазами в НКЭ могут быть как карбиды, так и интерметаллиды. В на-
стоящее время получены и используются различные НКЭ: Ni-TaC, Co-TaC, Ni-
Ni3Ta, MjAl-Ni3Ta, Al-Al3Ni, Al- АЩп, Al-CuAl2 и др.
217
Примером ненаправленных композиций может служить эвтектическая ко-
лония с дендритным каркасом упрочняющей фазы, причем ветви дендрита
имеют форму волокон. Подобное строение имеют эвтектические колонии ау-
стенит - карбид ванадия в белых ванадиевых чугунах (см. рис.2.14). Преиму-
щество таких ненаправленных композиций состоит в том, что при любом на-
правлении оси деформации значительная часть волокон всегда работает на рас-
тяжение. Это особенно важно для систем с большим количеством различно
ориентированных колоний.
8.2. НАНОСТРУКТУРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Наноструктурные материалы и нанотехнологии — одни из самых модных,
быстро развивающихся и востребованных направлений современной науки.
Особые строение и свойства малых атомных агрегаций представляют значи-
тельный научный интерес, так как являются промежуточными между строени-
ем и свойствами изолированных атомов и массивного (объемного) твердого те-
ла. Малый размер зерна приводит к появлению уникальных физических, хими-
ческих, механических и др. свойств, что привлекает внимание широкого круга
специалистов в области материаловедения, физики и химии твердого тела, био-
логии и перспективных технологий. Формирование ианокристаллической
структуры позволяет существенно изменить физические свойства материала:
повысить предел текучести, предел прочности, теплоемкость, электросопротив-
ление, диффузионную способность материала, понизить его упругость
(рис.8.1), температуру магнитных переходов и т.п. Изменяются и свойства дру-
гих структурных уровней: атомного, электронного (снижается работа выхода
электронов) и ядерного.
Необычные свойства на-
номатериалов обусловлены как
особенностями отдельных час-
тиц (кристаллитов), так и их кол-
лективным поведением, завися-
щим от характера взаимодейст-
вия между наночастицами. Такие
эффекты появляются, когда
средний размер кристаллических
зерен не превышает 100 им, и
наиболее отчетливо наблюдают-
ся, когда размер зерен менее 10
нм. Таким образом, изучение
свойств сверхмелкозернистых
материалов требует учета не
только их состава и структуры,
но и дисперсности.
132
124
116
50
III11111 11111 42
2,4 W
Рис.8.1. Зависимость модуля упругости
Е и модуля сдвига G от среднего разме-
ра зерен
218
Отличие свойств малых частиц от свойств массивного материала извест-
но уже достаточно давно и используется в разных областях техники. Примера-
ми могут служить широко применяемые аэрозоли, красящие пигменты, полу-
чение цветных стекол благодаря окрашиванию их коллоидными частицами ме-
таллов. Малые частицы и наноразмерные элементы используются для произ-
водства различных авиационных материалов. Например, в авиации применяют-
ся радиопоглощающие керамические материалы, в матрице которых беспоря-
дочно распределены тонкодисперсные металлические частицы. Нитевидные
монокристаллы (усы) и поликристаллы (волокна) обладают очень высокой
прочностью и благодаря этому их используют как наполнители легких компо-
зиционных материалов аэрокосмического применения. Суспензии металличе-
ских наночастиц (обычно железа или его сплавов) размером от 30 нм исполь-
зуют как присадки к моторным маслам для восстановления изношенных дета-
лей автомобильных и других двигателей непосредственно в процессе работы.
8.2.1. Получение наноматериалов (наиотехнологии)
Нанотехнологии открыли новые возможности в создании материалов и
изделий из структурных элементов нанометрового размера. Важную роль сыг-
рали исследования профессора Г. Гляйтера (Германия), который создал уста-
новку для получения компактных (объемных) образцов нанокристаллических
материалов. Немного позднее группа японских исследователей во главе с про-
фессором А. Иноэ реализовала метод формирования наноструктуры з магнит-
ных сплавах путем кристаллизации из аморфного состояния. Появились и бы-
стро развились другие новые методы получения наноматериалов, значительно
усовершенствовались существующие - например, механосинтез с помощью
размола в высокоэнергетических шаровых мельницах. Способами формирова-
ния нанокристаллической структуры в материале, не приводящими к остаточ-
ной пористости и загрязнениям, являются развиваемые в Институте проблем
сверхластичности материалов (г. Уфа) способы интенсивной пластической де-
формации (кручением под квазигидростатическим давлением и равноканальное
угловое прессование) (рис.8.2). Среди самых интересных наноструктур, полу-
ченных экспериментально в последние 2-3 года, можно выделить нанострукту-
ру, представляющую собой выращенные на подложке в правильном порядке
пучки углеродных нанотрубок (США) и наноструктуру карбида ванадия, полу-
ченную с помощью упорядочения (Екатеринбург, Институт химии твердого те-
ла) (рис.8.3).
В настоящее время основными областями применения нанотехнологии в
материаловедении являются получение материалов на основе новых структур-
ных форм углерода (фуллеренов и нанотрубок), наноструктурных твердых
сплавов, никелевой наноструктурной фольги, аморфно-нанокрис-таллических
магнитных сплавов и др.
219
Pi ^■■■te*^'
а б
Рис.8.2. Схемы получения наноструктуры кручением под квазигидростатиче-
ским давлением (в) и методом равноканального углового (РКУ) прессования (ff)
^vS^-i
~»y
Рис.8.З. Наноструктура из выращенных пучков углеродных нанотрубок (в) и
наноструктура карбида ванадия, похожая на распустившиеся розы (б)
8.2.2. Наносгруктурные элементы
Фуллерены. Новая форма существования углерода в природе, наряду с
давно известными алмазом и графитом, была открыта в 1985 г. при попытках
астрофизиков объяснить спектры межзвездной пыли. Оказалось, что атомы уг-
лерода могут образовать высокосимметричную молекулу С<ю. Такая молекула
состоит из 60 атомов углерода, расположенных на сфере с диаметром прибли-
зительно в один нанометр,и напоминает футбольный мяч (см. рис.2.18). В соот-
ветствии с теоремой Л. Эйлера атомы углерода образуют 12 правильных пяти-
угольников и 20 правильных шестиугольников. Молекула названа в честь архи-
тектора Р. Фуллера, построившего дом из пяти- и шестиугольников. Первона-
чально Сю получали в небольших количествах, а затем в 1990 г. была открыта
технология их крупномасштабного производства.
220
Фуллерены могут быть не только чисто углеродными, но и наполненны-
ми. Наполнением могут быть молекулы инертных или других газов, небольшие
органические и неорганические молекулы, атомы металлов (щелочных, щелоч-
ноземельных, лантанидов и др.). Несмотря на трудности получения и малый
выход таких производных, присущие им свойства заставляют исследовать их
синтез и возможные применения. Эти производные в большинстве своем имеют
крайне низкие потенциалы ионизации по сравнению с металлами, и, по-
видимому, обладают металлическими свойствами.
Фуллериты. Кристаллы, образованные молекулами См, имеющие гране-
центрированную кубическую решетку со слабыми межмолекулярными связя-
ми. В этом кристалле имеются октаэдрические и тетраэдрические полости, в ■
которых могут находиться посторонние атомы. Если октаэдрические полости
заполнены ионами щелочных металлов (калием, рубидием, цезием), то при
температурах ниже комнатной структура этих веществ перестраивается и обра-
зуется новый полимерный материал. Если заполнить также и тетраэдрические
полости, то образуется сверхпроводящий материал с критической температурой '
20-40 К. Существуют фуллериты и с другими присадками, придающими мате-
риалу уникальные свойства. Так, Сбо-этилен имеет ферромагнитные свойства.
Высокая активность в новой области химии привела к тому, что уже к 1997
г. насчитывалось более 9000 фуллереновых соединений.
Углеродные нанотрубки. Это цилиндрические молекулы с гигантским '
числом атомов углерода. Такая молекула может представлять собой однослой-
ную трубку с диаметром около нанометра и длиной в несколько десятков мик- '
рон. На поверхности трубки атомы углерода расположены в вершинах пра-
вильных 'Шестиугольников. Концы трубки закрыты с помощью шести правиль- )
ных пятиугольников. Следует отметить роль числа сторон правильных много-
угольников в формировании двухмерных поверхностей, состоящих из атомов .
углерода, в трехмерном пространстве. Правильные шестиугольники являются
ячейкой в плоском графитовом листе, который можно свернуть в трубки. Пра-
вильные пятиугольники (семиугольники) являются локальными дефектами в '
графитовом листе, позволяющими получить его кривизну. Таким образом, ком-
бинации правильных пяти-, шести- и семиугольников позволяют получать раз- |
нообразные формы углеродных поверхностей в трехмерном пространстве. Гео-
метрия этих наноконструкций определяет их уникальные физические и хими- (
ческие свойства и, следовательно, возможность существования принципиально
новых материалов и технологий их производства. Наряду с однослойными име-
ется возможность создавать и многослойные трубки. Для производства нанот-
рубок используются специальные катализаторы.
Углеродные нанотрубки могут иметь разветвления и изгибы. В этом слу- \
чае они теряют исходную "графитовую" структуру и не называются "графито-
выми". Однослойные нанотрубки имеют размеры от 1 до 10 нм в диаметре и
длину 100-1000 нм и более, а многослойные имеют диаметры и длину в 10-100
раз больше. Твердые тела могут быть образованы из жгутов нанотрубок или
более коротких образований. |
221
Углеродные нанотрубки могут иметь различное наполнение. Помимо пе-
речисленных в качестве наполнителей могут быть использованы фуллерены
меньшего диаметра.
Нанотрубки могут быть построены и из неорганических молекул MoSj,
WSe2 и др. (неорганические нанотрубки).
Ианокластеры. К множеству нанообъектов относятся сверхмалые части-
цы, состоящие из десятков, сотен или тысяч атомов. Свойства кластеров кар-
динально отличаются от свойств макроскопических объемов материалов того
же состава. Из нанокластеров, как из крупных строительных блоков, можно це-
ленаправленно конструировать новые материалы с заранее заданными свойст-
вами и использовать их в каталитических реакциях, для разделения газовых
смесей и хранения газов. Большой интерес представляют магнитные кластеры,
состоящие из атомов переходных металлов, лантаноидов, актиноидов. Эти кла-
стеры обладают собственным магнитным моментом, что позволяет управлять
их свойствами с помощью внешнего магнитного поля. Примером является вы-
сокоспиновая металлоорганическая молекула Mni20i2(CH3COO)i6(H20)4. Эта
конструкция состоит из четырех ионов Мп4+ со спином 3/2, расположенных п
вершинах тетраэдра, восьми ионов Мп3+ со спином 2, окружающих этот тетра-
эдр. Взаимодействие между ионами марганца осуществляется ионами кислоро-
да. Антиферромагнитные взаимодействия спинов ионов Мп + и Mn + приводят к
полному достаточно большому спину, равному 10. Ацетатные группы и моле-
кулы воды отделяют кластеры Mni2 друг от друга в молекулярном кристалле.
Взаимодействие кластеров в кристалле чрезвычайно мало. Наномагниты пред-
ставляют интерес при проектировании процессоров для квантовых компьюте-
ров. Если учесть, что расстояние между молекулами составляет около 10 нано-
метров, то плотность памяти в такой системе может быть порядка 10 гигабайт
на квадратный сантиметр.
8.23. Некоторые наноматериалы и их применение
Анализ проведенных в последние годы отечественных и зарубежных ис-
следований свидетельствует о высокой перспективности следующих основных
направлений в области разработки конструкционных материалов: создание
сверхпрочных и высокопроводящих материалов, изготовление наноструктур-
ных керамических и композиционных изделий точной формы, создание нано-
структурных твердых сплавов для производства режущих инструментов с по-
вышенной износостойкостью и ударной вязкостью, создание наноструктурных
защитных термо- и коррозионно-стойких покрытий, создание обладающих по-
вышенной прочностью и низкой воспламеняемостью полимерных композитов с
наполнителями из наночастиц и нанотрубок.
Сверхпрочные материалы. Связи между атомами углерода в графито-
вом листе являются самыми сильными среди известных, поэтому бездефектные
Углеродные трубки на два порядка прочнее стали и приблизительно в четыре
Раза легче ее. Одна из важнейших задач технологии в области новых углерод-
ных материалов заключается в создании нанотрубок "бесконечной" длины. Из
222
таких трубок можно изготовлять легкие композитные материалы предельной
прочности для нужд техники нового века. Это силовые элементы мостов и
строений, несущие конструкции компактных летательных аппаратов, элементы
турбин, силовые блоки двигателей с предельно малым удельным потреблением
топлива и т.п. В настоящее время научились изготовлять трубки длиной в де-
сятки микрон при диаметре порядка одного нанометра.
Высокопроводяшие материалы. Известно, что в кристаллическом гра-
фите проводимость вдоль плоскости базисного слоя наиболее высокая среди
известных материалов и, напротив, в направлении, перпендикулярном слою,
мала. Поэтому ожидается, что электрические кабели, сделанные из нанотрубок,
при комнатной температуре будут иметь электропроводность на два порядка
выше, чем медные кабели. Дело за технологией, позволяющей производить
трубки достаточной длины и в достаточном количестве.
Нанофазная керамика повышенной пластичности. В лабораторных
исследованиях получены образцы изделий из нанофазной керамики на основе
оксидов алюминия и ряда переходных металлов. Экспериментально подтвер-
ждено, что плотная наноструктурная керамика имеет повышенную пластич-
ность при сравнительно невысоких температурах. Увеличение пластичности
при уменьшении размера частиц вызвано сдвиговым перемещением нанокри-
сталлических зерен относительно друг друга при наложении нагрузки. При
этом отсутствие нарушения межзеренной связи объясняется эффективным
диффузионным переносом атомов в приповерхностном слое частиц. В перспек-
тиве повышенная пластичность означает возможность сверхпластичного фор-
мования керамических и композиционных изделий, что исключает необходи-
мость трудо- и энергозатратной финишной обработки материалов высокой
твердости.
Наноструктурные металлокерамические материалы. В последние го-
ды разработаны нанокомпозитные металлокерамические материалы, в частно-
сти, на основе WC/Co и TiC/Fe, значительно превосходящие по износостой-
кости, прочности и ударной вязкости аналоги с обычной микроструктурой. По-
вышенные эксплуатационные характеристики нанокомпозитных материалов
обусловлены образованием при спекании специфических непрерывных ните-
видных структур, формирующихся в результате трехмерных контактов между
наночастицами разных фаз. Разработка и внедрение в промышленное производ-
ство технологии создания нанокомпозитных изделий будет способствовать ре-
шению проблемы изготовления высококачественных режущих инструментов.
Наноструктурные коррозионно-стойкие покрытия. Повышение корро-
зионной стойкости наноструктурных покрытий обусловлено, в первую очередь,
снижением удельной концентрации примесей на поверхности зерен по мере
уменьшения их размеров. Чистая поверхность обеспечивает более однородную
морфологию и более высокую коррозионную стойкость межзеренных границ.
Наноструктурные покрытия характеризуются сверхвысокой прочностью. Один
из основных механизмов упрочнения обусловлен эффектом скопления дисло-
каций вблизи препятствий, которыми при уменьшении размеров зерен являют-
223
ся их границы. Важным преимуществом покрытий с наноразмерной структурой
является обусловленная повышенной пластичностью возможность снижения в
них остаточных напряжений, что позволяет изготовлять покрытия миллиметро-
вой толщины.
Пластмассы с нанонаполнителями. Использование диспергированных
в полимерной матрице неорганических наполнителей из наноразмерных по-
рошков позволяет существенно повысить огнестойкость пластмасс, являющую-
ся одним из основных недостатков при использовании их в качестве конструк-
ционных материалов, поскольку продукты сгорания полимеров, как правило,
представляют собой ядовитые вещества. Результаты исследований показывают,
что снижение горючести может быть доведено до самозатухания пламени. При
этом наноразмерные порошковые наполнители не снижают механической
прочности и обрабатываемости материалов. Полимерные нанокомпозиты обла-
дают высокой абляционной стойкостью, что открывает перспективы их исполь-
зования для защиты поверхности изделий, эксплуатируемых в условиях воздей-
ствия высоких температур.
8.2.4. Некоторые наноустройства (конструкции из наноматериалов)
Нанотрубки могут составлять основу новых конструкций плоских аку-
'стических систем и плоских дисплеев, то есть привычных макроскопических
приборов. Из наноматериалов могут быть созданы определенные наноустрой-
ства, например нанодвигатели, наноманипуляторы, молекулярные насосы, вы-
сокоплотная память, элементы механизмов нанороботов.
Молекулярные шестерни и насосы. Валами шестеренок в коробке пе-
редач являются углеродные нанотрубки, а зубцами служат молекулы бензола.
Характерные частоты вращения шестеренок составляют несколько десятков ги-
гагерц. Устройства "работают" либо в глубоком вакууме, либо в инертной сре-
де при комнатной температуре. Инертные газы используются для "охлаждения"
устройства.
Алмазная память для компьютеров. Модель высокоплотной памяти
состоит из зоида и алмазной поверхности. Зонд представляет собой углеродную
нанотрубку, заканчивающуюся полусферой С«ь к которой крепится молекула
C5H3N. Алмазная поверхность покрывается монослоем атомов водорода. Неко-
торые атомы водорода замещаются атомами фтора. При сканировании зонда
вдоль алмазной поверхности, покрытой монослоем адсорбата, молекула C3H5N,
согласно квантовым моделям, способна отличить адсорбированный атом фтора
от адсорбированного атома водорода. Поскольку на одном квадратном санти-
метре поверхности помешается около 1013 атомов, плотность записи может дос-
тигать 100 терабайт на квадратный сантиметр.
Приведенные примеры результатов лабораторного эксперимента и моде-
лей наноустройств являются свидетельством уникальных возможностей ис-
пользования новых материалов и технологий. Требуется осмысление этих ре-
зультатов и выработка интуиции для работы в нанометровом диапазоне разме-
ров.
224
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 8
1. Что такое композиционный материал? В чем заключаются преимуще-
ства композиционных материалов перед обычными материалами?
2. Как классифицируются композиционные материалы по виду упрочни-
теля и матрицы?
3. Что собой представляют САПы, керметы и ферротитаниды? Каковы
особенности их свойств?
4. Какие вы знаете волокниты с металлической матрицей? Какие упроч-
нители применяются в этих материалах?
5. Что такое карбоволокниты? Каковы их разновидности, состав, свойства
и применение?
6. Опишите бороволокниты, укажите их состав, свойства и применение.
7. В чем преимущества органоволокнитов? Их свойства и применение.
8. В чем особенности естественных композитов? Как они классифициру-
ются и как их получают?
9. Какие материалы относят к наноструктурным? В чем особенности их
свойств?
10. Каковы основные известные способы получения наноматериалов?
11. Что собой представляют наноструктурные элементы (фуллерены,
фуллериты, нанотрубки, нанокластеры)?
12. Какие наноматериалы известны в настоящее время? Каково их воз-
можное применение?
13. В каких устройствах могут использоваться наноматериалы?
225
I
ЧАСТЬ IV. ТРИБОТЕХНОЛОГИЯ
Триботехнология - это раздел трибологии (науки о трении изнашивании,
смазке и взаимодействии контактирующих поверхностей при их взаимном пе-
ремещении), изучающей проблемы формообразования деталей пары трения,
обработки материалов со снятием и без снятия (путем упрочнения) стружки, а
также с нанесением специальных покрытий. В то же время триботехнология -■
это раздел технологии машиностроения (науки об изготовлении машин задан-
ного качества в установленном количестве при наименьших затратах материа-
ла, минимальной себестоимости и с высокой производительностью труда), изу-
чающей проблемы технологического обеспечения и повышения долговечности
деталей машин.
ГЛАВА 9. КАЧЕСТВО И ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ УЗЛОВ
ТРЕНИЯ
В обеспечении работоспособности узлов трения важную роль играют
свойства материалов контактирующих деталей, точность их изготовления, ка-
чество поверхностного слоя, а также точность соединения деталей.
9.1. СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ ДЕТАЛЕЙ УЗЛОВ ТРЕНИЯ
Свойства материалов разделяют на механические, технологические, физи-
ческие, структурные и эксплуатационные.
Механические свойства определяются поведением материалов под дейст-
вием приложенных внешних механических сил. К механическим свойствам
обычно относят сопротивление материалов деформированию (прочность, твер-
. дость), сопротивление разрушению (пластичность, вязкость, способность не
! разрушаться при наличии трещин) и изнашиванию.
Технологические свойства - часть общих, присущих данному материалу
физико-механических и физико-химических свойств, знание которых позволяет
обоснованно проектировать и осуществлять технологический процесс изготов-
ления изделия с наилучшими для данного материала эксплуатационными свой-
ствами. Технологические свойства проявляются в процессе получения отливок
(литейные свойства), поковок и других деформируемых заготовок (деформи-
руемость или технологическая пластичность), термообрабатываемых изделий
(закаливаемость, прокаливаемость) и изделий, получаемых обработкой резани-
ем (обрабатываемость резанием);
К физическим свойствам обычно относят плотность, теплофизические
(коэффициент линейного расширения, теплоемкость, теплопроводность) и
ЗДектромагнитные (электрическое сопротивление, магнитные свойства) харак-
теристики.
Химические свойства материалов определяют степень их химической ак-
тивности или инертности по отношению к внешним средам и контактирующим
телам. Важнейшая химическая характеристика материалов - их химический со-
226
став. От химического состава и строения материалов во многом зависит их со-
противление внешним химическим воздействиям - их коррозионная стойкость.
Химическая активность компонентов, входящих в состав материала, зависит от
электронного строения атомов, положения элементов в ряду электроотрица-
тельности, валентности и потенциалов ионизации атомов.
Структурные свойства определяются строением материалов. Различают
макроструктуру, видимую невооруженным глазом на изломах, или на соответ-
ствующим образом подготовленных образцах (макрошлифах), и микрострукту-
ру, видимую на микрошлифах при больших увеличениях с помощью оптиче-
ских или электронных микроскопов.
Эксплуатационные, или служебные, свойства материалов проявляются в
процессе работы изделий при их взаимодействии с другими изделиями или
внешней средой. Наиболее часто оценивают работоспособность материалов в
условиях трения и изнашивания (коэффициент трения, износостойкость), по-
вышенных и высоких температур (теплостойкость, ползучесть, жаропрочность,
жаростойкость), а также в химически активных средах (коррозионная стойкость).
Основные механические свойства материалов определяются при испыта-
ниях на растяжение, ударный изгиб, сжатие, кручение и твердость.
Твердость Н (безразмерная величина) определяют методами Бринелля
(НВ), Роквелла (HRC), Виккерса (HV) (табл. 9.1). Твердость (в МПа) тонких
слоев оценивают по микротвердости с разной формой отпечатка.
Таблица 9.1
Особенности различных методов измерения твердости
Метод
Бринелля
Роквелла
Виккерса
Способ измерения и форма ин-
дентора
По диаметру отпечатка от ша-
рика (d =1,0- 10 мм)
По глубине вдавливания; ал-
мазный конусный наконечник
или шариковый стальной (d =
1,588 мм; 3,175 мм)
По глубине вдавливания или по
диагонали отпечатка; алмазный
наконечник в форме правиль-
ной четырехгранной пирамиды
Нагружение
F,H
Статическое,
24,5 - 29430
Статическое,
490,3 - 1373
Статическое,
9,807-980,7
Допустимая ше-
роховатость по-
верхности Ra
1,25-2,5
0,38 - 0,63
0,02-0,04
Твердость по Брииеллю - НВ (HBW) - твердость, выраженная отношени-
ем приложенной нагрузки F к площади поверхности сферического отпечатка
(рис. 9.1):
НВ - при применении стального шарика (для металлов и сплавов с твердо-
стью не более 450 единиц);
HBW - при применении шарика из карбида вольфрама (для металлов и
сплавов с твердостью не более 650 единиц).
227
. I
•- I
Диаметр отпечатка измеряют с помощью
микроскопа или других приборов. Число твер-
дости определяется по формуле
0,102-F 0J02-2F
НВ-.
^(d-Vd2-./2)'
Здесь F выражена в Н.
При измерении твердости обозначение
НВ дополняется индексами, указывающими
условия в следующем порядке: первая цифра
перед НВ указывает твердость в МПа, первая
Рис. 9.1. Схема измерения цифра после т . диаметр шара в миллимет-
твердости по Бринеллю р^ вторая _ нафу3ку в Н и третья - продол-
стальным шариком жительность выдержки под нагрузкой в секун-
дах, например, 3000 НВ 2,5/1838,7/10 означает твердость по Бринеллю, равную
3000 МПа, при испытании шаром диаметром 2,5 мм под нагрузкой 1838,7 Н при
выдержке в течение 10 с.
Твердость по Роквеллу определяется разностью между максимальной
глубиной проникновения индентора и остаточной глубиной его внедрения под
действием основной нагрузки Ft, после снятия этой нагрузки, но при сохране-
нии предварительной нагрузки F0 (табл. 9.2, рис. 9.2).
а *
а Ег
3
Ж
Рис. 9.2. Схема проведения измерения твердости при применении алмазного
конуса (а) и стального шарика (б): ho, h, - глубина внедрения наконечника под
действием предварительной нагрузки и основной нагрузки, мм; е - глубина
внедрения наконечника после снятия основной нагрузки в единицах измерения
0,002 мм
228
Шкала
твердости
Значения нагрузок при испытании по методу Роквелла
[Обозначение I u "
Таблица 9.2
А
В
С
D
Е
F
G
Н
К
Обозначение
единицы
измерения
HRA
HRB
HRC
HRD
HRE
HRF
HRG
HRH
HRK
предвари
тельная, F0
Нагрузка, Н
98,07
98,07
98,07
98,07
98,07
98,07
98,07
98,07
98,07
основная,
F,
общая, F
490,3
882,6
1373
882,6
882,6
490,3
1373
490,3
1373
Твердость по Роквеллу обозначают симво-
лом HR с указанием шкалы твердости, которому
предшествует числовое значение твердости из трех
значащих цифр: HRA, HRC, HRD - твердость по
Роквеллу по шкалам А, С, и D; HRB, HRE, HRF,
HRG, HRH, HRK - твердость по Роквеллу по шка-
лам В, Е, F, G, Н, К, например 61,5HRC - твер-
дость по Роквеллу 61,5 единиц по шкале С. Алмаз-
ный конус имеет угол при вершине 120°, радиус
сферической части 0,2 мм (шкалы А, С, D). Нако-
нечник шариковый стальной имеет диаметр 1,588
(шкалы В, F, G) и 3,175 мм (шкалы Е, Н, К).
Метод измерения твердости по Виккерсу ос-
нован на вдавливании алмазного наконечника в
форме правильной четырехгранной пирамиды под
действием нагрузки F, приложенной в течение
определенного времени, и измерении диагоналей
отпечатка dt и d2, оставшихся на поверхности ра-
бочего образца после снятия нагрузки (рис. 9.3).
Твердость по Виккерсу (HV) вычисляют по
формуле
а
0,102-2Fsin
HV = - 2
588,4
980,7
1471
980,7
980,7
588,4
1471
588,4
1471
Диапазон
измерений,
ед. твердо-
сти
20-88
20-100
20-70
40-77
70-100
60-100
30-94
80-100
40-100
Рис. 9.3. Схема измерения
твердости по Виккерсу
с помощью алмазной
пирамиды
= 0,189-
d2 "'"d2
где F — нагрузка, Н; а - угол между противоположными гранями пирамиды
при вершине, равный 136°; d - среднее арифметическое значение длин обеих
диагоналей после снятия нагрузки, мм.
229
Твердость по Виккерсу при условиях испытаний F = 294,2 Н и времени
выдержки под нагрузкой 10 — 15 с обозначается цифрами, характеризующими
величину твердости и буквами HV. При других условиях испытаний после букв
; HV указываются нагрузка и время выдержки, например:
! - 500 HV - твердость по Виккерсу, определенная при нагрузке F = 294,2 Н
' J, и времени выдержки 10 - 15 с;
| - 220 HV 10/40 - твердость по Виккерсу, полученная при нагрузке 98,07 Н
I _ци времени выдержки 40 с.
i, Поверхность испытываемого образца должна иметь шероховатость не бо-
1 лее 0,16 мкм и быть свободной отокисных пленоки посторонних веществ.
; Твердость - характеристика материала, зависящая от совокупности его
I пластических и упругих свойств и характера напряженного состояния, прояв-
[ ляющаяся в способности оказывать сопротивление при деформации поверхно-
{ сти тела из этого материала. В этой связи перспективным является метод не-
} прерывного вдавливания, при котором записывается диаграмма перемещения
(индентора с одновременной регистрацией усилий.
Микротвердость структурных составляющих материала поверхности и по-
«верхностного слоя контролируют методом вдавливания алмазного наконечника
I определенной формы (табл. 9.3) под действием статической нагрузки в течение
«^определенного времени с последующим измерением размеров отпечатка (метод
с*'восстановленного отпечатка) или с одновременным измерением глубины вне-
* "Ярения индентора (метод невосстановленного отпечатка).
Число микротвердости определяют делением приложенной к алмазному
наконечнику нормальной нагрузки на условную площадь боковой поверхности
отпечатка (метод восстановленного отпечатка):
- для четырехгранной пирамиды с квадратным основанием
> F Q,\V2-2Fsma/2
F
#Г = —=
S
'-*"ȣ
(9.1)
- для трехгранной пирамиды с основанием в виде равностороннего тре-
угольника
FJ,l02.3F^a f_
V S л/3/v2 /v2
■ для четырехгранной пирамиды с ромбическим основанием
"•-Г
F 0,l02-2Ftgj/cosP,
2_-
sin
ifi/
1,313-
(9.2)
(9.3)
е%
■ для бицилиндрического наконечника
„ F 0,102F-3flsinar
п Ф = — гт :
0,425—.
1ф3
(9.4)
230
Таблица 9.3
Алмазные наконечники, применяемые при контроле микротвердости
Тип алмазных
наконечников
Четырехгран-
ная пирамида
с квадратным
основанием
Трехгранная
пирамида с
основанием в
виде равно-
стороннего
треугольника
Четырехгран-
ная пирамида
с ромбическим
основанием
Параметр заострения ал-
мазных наконечников
а=136а
а«=65*; 0=77";
о+Р=!4Г
Р=!3<Г
Форма
отпечатка
хщ?
WA
^Щ&г
ГФч
Назначение
При контроле
микротвердо-
сти большин-
ства материа-
лов
При контроле
микротвердо-
сти материалов
с твердостью
HV более 1000
При малой
толщине испы-
тываемого
слоя (покрытия
и т.п.) и не-
большой твер-
дости (медь,
алюминий и
т.п.)
231
Окончание табл. 9.3
Тип алмазных
наконечников
Бйийлиндри-
ческий нако-
нечник
Параметр заострения алмаз-
ных наконечников
R = 1 мм
= 136°;
. радиус цилиндра
Форма
отпечатка
-°*?77TTf?
^
Назначение
При оценке
микротвер-
дости суб-
тонких слоеЬ|
или пленок:
толщиной
менее 3 мкм
if,
•I
ч
•я ft-*
В формулах (9.1 - 9.4) приняты следующие обозначения: F - нормальная
нагрузка, приложенная к алмазному наконечнику, Н; S - условная площадь бо-
ковой поверхности полученного отпечатка, мм ; / - размер отпечатка, мм; d -
среднее арифметическое длин обеих диагоналей квадратного отпечатка, мм; R
- радиус цилиндра, равный 2 мм; а, р — углы заострений алмазных наконеч-
ников, град.
Микротвердость, определенная по формулам (9.1
■ 9.4), обозначается со-
ответственно НУ, Яу, Яф и Яф с указанием нагрузки в кгс и продолжитель-
ности её приложения. Для микротвердости НУ продолжительность приложе-
ния нагрузки не указывают, если она в пределах 10 - 15 с. Например:
- микротвердость, определенная четырехгранной пирамидой с квадратным
основанием при нагрузке 0,098 Н, приложенной в течение 15 с, - НУ 0,01;
- микротвердость, определенная четырехгранной пирамидой с квадратным
основанием при нагрузке 0,98 Н, приложенной в течение 30 с, - НУ 01/30;
- микротвердость, определенная трехгранной пирамидой с основанием в
виде равностороннего треугольника при нагрузке 0,0491 Н, приложенной в те-
чение 5 с, - Яу 0,005/5.
При измерении микротвердости покрытий из однородного материала
(гальванических, диффузионных, цементованных и др.) на металле нагрузка F
должна быть тем меньше, чем тоньше слой покрытия. Если толщина испытуе-
мого слоя неизвестна, то рекомендуется провести несколько измерений при
различных нагрузках: 0,098; 0,196; 0,490; 0,981 Н и т.д.
При оценке микротвердости методом невосстановленного отпечатка пред-
ставляется возможным определить ряд дополнительных характеристик мате-
риала поверхностного слоя детали. При приложении предварительной нагрузки
Pt получается отпечаток dx глубиной tx, которая служит началом отсчета для
измерения глубины вдавливания при положении основной нагрузки Рг (рис.
9.4). При приложении основной нагрузки под действием Рх + Р2 измеряется
232
глубина отпечатка hv, (мгновенная) при приложении нагрузки Р2. После вы-
держки под общей нагрузкой Робщ = Pt + Р2 определяется дополнительная глу-
бина внедрения индентора. Эту величину можно обозначить как Ллот,, характе-
ризующую ползучесть материала. Величина ho6m - Иш + hmm характеризует об-
щую глубину проникновения индентора в материал при невосстановленном от
печатке.
Рис. 9.4. Схемы перемещения индентора при испытании на микротвердость по
глубине вдавливания: I - ползучесть; 2 -упругое восстановление
Для определения упругого восстановления материала основную нагрузку
Р2 снимают и после выдержки в течение 30 секунд (для металлов) или 150 се-
кунд (для пластмасс) измеряют величину упругого восстановления отпечатка
h „, под действующей предварительной нагрузкой Р{. Восстановленная глуби-
на отпечатка А, (остаточная пластичность) может быть вычислена как разность
После определения указанных величин предварительная нагрузка Рх сни-
мается и может быть измерена диагональ d восстановленного отпечатка
По экспериментальным данным для материала поверхностного слоя
можно определить:
- характеристику упругих свойств, %
Af-100;
"общ
- характеристику пластических свойств, %
Л--100;
h
'общ
■ характеристику ползучести, %
233
'^400.
h
"общ
Число микротвердости но высоте невосстановленного отпечатка опреде-
ляют делением приложенной к алмазному наконечнику нормальной нагрузки
да условную площадь боковой поверхности отпечатка, соответствующую его
измеренной глубине:
- для четырехгранной пирамиды с квадратным основанием
Я^=| = 0,0038б|-; (9.5)
- для трехгранной пирамиды с основанием в виде равностороннего тре-
угольника
Ята=| = 0,00387" (9.6)
- для четырехгранной пирамиды с ромбическим основанием
^=1 = 0,00141-^; (9.7)
- для бицилиндрического наконечника
^=^ = 0,00744-^. (9.8)
В формулах (9.5 - 9.8) приняты следующие обозначения: F - нормальная
нагрузка, приложенная к алмазному наконечнику, Н; S - условная площадь бо-
ковой поверхности полученного отпечатка, мм ; h - глубина отпечатка, мм.
Микротвердость, определенная по формулам (9.5 - 9.8), обозначается со-
ответственно HVk, HVh, Язд и Нф11 с указанием нагрузки в кгс и продолжи-
тельности её приложения. Например:
- микротвердость, определенная по высоте невосстановленного отпечатка
четырехгранной пирамиды с квадратным основанием при нагрузке 0,098 Н,
приложенной в течение 15 с, - HVh 0,01/15;
- микротвердость, определенная по высоте невосстановленного отпечатка
бицилиндрическим наконечником при нагрузке 0,0491 Н, приложенной в тече-
ние 5 с, - Яфк 0,005/5.
Микротвердость по глубине поверхностного слоя исследуется с помощью
прямых (при большой глубине наклепа) и косых срезов. Поверхность среза
Тщательно пблируют, предотвращая заваливание краев. После полирования по-
верхность среза травят 3-процентным раствором азотной кислоты в спирте. За-
тем, начиная от поверхности, через равные промежутки наносят отпечатки ал-
мазной пирамидой на микротвердомере до слоев материала с исходным значе-
нием микротвердости (рис. 9.5). По экспериментальным данным определяют
Характер изменения микротвердости, коэффициент и степень, а также градиент
Упрочнения поверхностных слоев по уравнениям.
234
7 8 9 10 11 12
Ш\^Ф$&$$$[
LS.
Iffy
Sf
s
Выдержка
Рис. 9.5. Определение микротвердости поверхности:
1-12 - участок линии среза; d, di - de - размеры отпечатков; F - сила; h0 - глу-
бина слоя металла с повышенной твердостью; а - угол среза
Анализ кинетики движения индентора на участке нагружения позволяет
выявлять закономерности микропластической деформации материалов, осо-
бенно хрупких, в условиях сосредоточенного нагружения индентором (рис. 9.6.).
Прирост глубины отпечатка при выдержке под нагрузкой, характери-
зующей микроползучесть материалов, оценивается по абсолютной величине
соответствующего участка диа-
граммы вдавливания. Участок раз-
гружения дает некоторую инфор-
мацию, связанную с упругими
свойствами испытываемого мате-
риала. Изменения глубины отпе-
чатка при снятии нагрузки (упругое
восстановление), вызванное релак-
сацией энергии, накопленной в
процессе упругопластической де-
формации при вдавливании, оцени-
вается либо по величине относи-
тельного изменения глубины отпе-
П ~ Пост
чатка ', , либо по углу
наклона на участке разгружения 0.
Кривая разгружения имеет,
как правило, два характерных уча-
стка: 1 - близкий к линейному на-
чальный участок разгружения (на
Глубина бдаблибания, h
Рис. 9.6. Схема типичной диаграммы
вдавливания
235
нем снимается 70 - 90 % нагрузки); 2 - участок со сложной зависимостью, свя-
зывающий глубину вдавливания с нагрузкой. Наличие двух участков, по-
видимому, объясняется особенностями развития процессов последействия.
Участок 1 связан с преимущественной упругой релаксацией энергии, запасен-
ной в упругом поле вокруг отпечатка. На участке 2 релаксация протекает глав-
ным образом за счет необратимой деформации (пластическая деформация,
хрупкое разрушение). В общем случае нет четкой границы между участками 1 и
2. Участок 2 может полностью отсутствовать, быть незначительным или нечет-
ко выраженным, если упругая энергия, запасенная при вдавливании, недоста-
точна для «обратной» деформации (малая величина нагрузки, пластичный ма-
териал).
Анализ площадей диаграммы вдавливания позволяет оценить деформа-
ционную и релаксационную способность поверхностного слоя материала. При
этом отношение площади (ограниченной участками нагружения и разгруже-
ния), пропорциональной работе остаточного формоизменения (^), к общей
площади под кривой нагружения, пропорциональной полной работе, затрачен-
ной на вдавливание (Л), может служить критерием такой оценки. Полная рабо-
та вдавливания складывается из работы остаточного формоизменения А^ и ра-
боты сил последействия Ы^)
^ = 4>0 + Ары •
Таким образом, критерием оценки является соотношение
V
Аф + АР»
А
Сопоставление указанного отношения с параметром «жесткости» меж-
атомной связи а = , где U — энергия активации пластической деформации;
к - постоянная Больцмана; Тт — температура плавления, показывает, что с
увеличением «жесткости» межатомной связи (увеличение а) снижается вклад
остаточной деформации в процессе формоизменения материала под инденто-
ром (уменьшение Д^) и увеличивается удельный вклад релаксационных про-
цессов (главным образом упругих) в процессе разгружения (увеличение А^).
Таким образом, по величине отношения А^/А, получаемого простым испыта-
нием на микротвердость, можно с некоторым приближением оценить «жест-
кость» кристаллической решетки материалов и способность их к релаксации
энергии, накопленной в процессе пластической деформации при микровдавли-
вании.
236
9.2. ТОЧНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ УЗЛОВ ТРЕНИЯ
Точность деталей узлов трения характеризуется точностью размеров эле
ментов деталей, т.е. отдельных поверхностей, и точностью относительного по-
ложения поверхностей.
Размеры деталей определяются исходя из их функционального назначения
и действующих рабочих нагрузок.
Для того чтобы характеризовать точность размеров, их разделяют на но-
минальные, действительные и предельные. Относительно номинального разме-
ра выявляют предельно допустимые размеры. Номинальный размер определя-
ют исходя из служебного назначения детали.
При изготовлении деталей нельзя абсолютно точно выполнить номиналь-
ный размер, а также измерить его без погрешности. Поэтому существует поня-
тие «действительный размер», т.е. размер, измеренный с допустимой погреш-
ностью.
Действительный размер для оценки качества деталей особо важен. В ходе
изготовления детали в каждый момент времени этот размер имеет разные зна-
чения. Это объясняется тем, что используемые в машиностроении технологиче-
ские системы вносят свои погрешности в изготовляемые детали, так как они
работают в условиях постоянного изнашивания обрабатывающего инструмента
и, следовательно, постоянно изменяющихся силовых факторов, а также вос-
принимают действие нестационарных тепловых полей. Кроме этого, на точ-
ность деталей оказывают влияние погрешности настройки инструмента, уста-
новки обрабатываемой заготовки и ряд других факторов.
Допуском в данном случае называют разность между его наибольшим и
наименьшим допустимыми значениями. Изготовление деталей с соблюдением
допусков способствует созданию высококачественных узлов трения, несмотря
на то, что каждая деталь ограничивается поверхностями, размеры и форма ко-
торых отличаются от номинальных.
Каждая деталь характеризуется достаточно большим числом размеров. Де-
тали лишь на чертежах характеризуются номинальными (идеальными) поверх-
ностями, а фактически ограничены реальными поверхностями. Детали всегда
имеют отклонения формы. В частности, при изготовлении цилиндрических де-
талей возникают отклонения от круглости. Они непосредственно сказываются
на качестве соединений, потому, что по таким поверхностям устанавливают от-
ветственные детали и узлы машин и, прежде всего, подшипники качения, кото-
рые вследствие отклонения формы их колец могут утратить свои первоначаль-
ные характеристики.
Условия формообразования деталей настолько сложны, что одновременно
возникает ряд отклонений: от цилиндричности, перпендикулярности, парал-
лельности и др. (рис. 9.7). Технологическое обеспечение допускаемых величин
этих отклонений является одним из условий повышения качества машин.
Для оценки качества детали ее форма имеет первостепенное значение. От-
клонения и допуски формы регламентированы ГОСТ 24642-81.
237
ж з и к
Рис. 9.7. Отклонения формы плоских (а - в) и цилиндрических (г - к) поверхно-
стей: а - реальный профиль; б - выпуклость; в — вогнутость; г - некруглость; д
- овальность; е - огранка; ж - отклонение от прямолинейности образующей ци-
линдра; з - конусность; и - бочкообразность; к - седлообразность; 1 - реальный
профиль; 2 - прилегающая плоскость; 3 - прилегающая окружность; d, L - раз-
меры; Т - допуск на размер; А - величина погрешности формы
Профиль детали в продольном направлении также представляет собой
сложное сочетание конических поверхностей с наложенными на них седлооб-
разными, бочкообразными и волнистыми профилями. Описание профиля ока-
зывается исключительно важным, поскольку с его помощью можно установить
характер контактирования деталей при сборке, условия смазывания, прогнози-
ровать изнашивание и пр. Однако более важно для решения проблемы повыше-
ния качества машин установить причины возникновения погрешностей, указать
Соответствующую операцию технологического процесса, при выполнении ко-
торой возникла данная погрешность, и принять меры к ее устранению. По-
скольку отклонения формы ухудшают качество детали, рассматривают резуль-
238
таты предшествующих технологических операций и устанавливают, что, на-
пример, овальность детали вызвана овальной формой заготовки. В результате
принимают меры к ликвидации или уменьшению отклонений формы еще на
предшествующих технологических операциях.
Для выявления таких зависимостей применяют учение о технологической
наследственности. Под теологической наследственностью понимают явление
переноса свойств объектов от предшествующих технологических операций к
последующим. Сохранение этих свойств у деталей машин называют техноло-
гическим наследованием.
Качество деталей оценивается также отклонениями расположения поверх-
ностей, т.е. отклонениями реального положения поверхности от ее номиналь-
ного положения. При такой оценке отклонения формы поверхностей деталей из
рассмотрения исключаются, а реальные профили заменяются прилегающими.
Реальные оси, центры реальных поверхностей, поверхности симметрии и т.д.
заменяются прилегающими элементами. Каждое из отклонений расположения
поверхностей имеет свое точное определение и методику производственной
оценки. Прилегающими элементами могут быть прямые, окружности, плоско-
сти, цилиндры.
Качество деталей по отклонению от параллельности оценивают по поло-
жению двух прилегающих к реальным поверхностям плоскостей, измеряя рас-
стояние между этими плоскостями в различных местах нормируемого участка.
Отклонения расстояния цилиндрических поверхностей, например, могут опре-
деляться с помощью их осей. В общем случае оси могут иметь отклонения от
параллельности, а также перекос или отклонение от пересечения. Типичным
для деталей, имеющих отверстия (например, корпусных), является отклонение
от соосности. Такое отклонение решающим образом влияет на долговечность
подшипников, установленных в отверстиях корпусов.
С помощью прилегающих элементов определяют также отклонение от
перпендикулярности. Оно, например, оценивается углом между двумя плоско-
стями, прилегающими к реальным поверхностям конкретной детали. При оцен-
ке отклонения от симметричности относительно базовой плоскости определяют
положение последней и от него измеряют расстояние до плоскости симметрии
реального профиля.
Все отклонения формы и расположения поверхностей должны быть про-
ранжированы применительно к конкретным деталям, исходя из их служебного
назначения. Так, в одном случае решающее влияние на качество детали оказы-
вает отклонение от круглости, а в другом - перекос осей и т.д. Значения откло-
нений формы и расположения регламентированы ГОСТ 24643-81, в кото-
ром предусмотрено 16 степеней точности. Установлены также уровни относи-
тельной точности, которая зависит от соотношения между допуском размера и
допусками формы и расположения. Таких уровней три: А - нормальная относи-
тельная точность, В - повышенная относительная точность и С - высокая от-
носительная точность. Для этих уровней допуск формы или расположения в
среднем составляет соответственно 60, 40 и 25 % от допуска размера. Для ци-
239
линдричности, круглости и профиля продольного сечения относительная гео-
метрическая точность для А, В и С составляет соответственно 30, 20 и 12 % от
допуска размера. В особых случаях допуски формы и расположения дополни-
тельно указываются в технических условиях на изготовление детали. Каждому
методу обработки соответствует определенная допустимая точность, указывае-
мая в справочной литературе. Так, с одной стороны, для каждого номинального
размера и квалитета его допуска {А, В, С) в таблицах указываются соответст-
вующие допуски на любые геометрические параметры, с другой стороны, име-
ются табличные данные, характеризующие возможности технологических ме-
тодов по достижению заданной точности.
Вид допуска формы и расположения обозначается в соответствии с ГОСТ
24643-81 (рис. 9.8). Вид допуска представляется знаком, а сам допуск - число-
вым значением. Эти данные заносятся в рамку, имеющую, как правило, три
секции. Вначале в рамке указывают знак, затем допуск и, наконец, базу, отно-
сительно которой определяют допуск.
Рис. 9.8. Отклонение расположения поверхностей:
а - от параллельности; б - от перпендикулярности; в - от соосности; г - от
симметричности; д - позиционное; е - от пересечения осей; ж - радиальное
биение; з — торцовое биение
240
9.3. КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ УЗЛОВ ТРЕНИЯ
Наружный слой детали, имеющий макро- и микроотклонения от иде-
альной геометрической формы и измененные физико-химические свойства по
сравнению со свойствами основного материала, называют поверхностным сло-
ем. Он формируется при изготовлении и эксплуатации и по глубине может со-
ставлять от десятых долей микрометра до нескольких миллиметров. Качество
поверхностного слоя определяется геометрическими характеристиками и физи-
ко-химическими свойствами.
Под геометрическими характеристиками понимают макроотклонение,
волнистость, шероховатость и субшероховатость.
Макроотклонение поверхности - это неровность высотой 10 2 - 10' мкм на
всей ее длине или ширине. Волнистость поверхности - совокупность неровно-
стей высотой примерно 1(Г2 - 103 мкм с шагом, большим, чем базовая длина /,
используемая для измерения параметров шероховатости. Под шероховатостью
поверхности понимают совокупность неровностей высотой около КГ2 - 103
мкм с шагом, меньшим, чем базовая длина. Субшероховатость - это микроне-
ровности высотой примерно 10~3 - 10~J мкм, накладываемые на шероховатость
поверхности.
На поверхности детали располагаются адсорбированный из окружающей
среды слой (толщиной около 10 - 100 мкм) молекул и атомов органических и
неорганических веществ (например, воды, смазывающе-охлаждающих жидко-
стей, растворителей, промывочных жидкостей), обычно копирующий неровно-
сти и наложенный на слой, представляющий собой продукты химического
взаимодействия металла с окружающей средой (обычно оксидов). Под этими
слоями зона материала детали (толщиной примерно Ю-4 - 10 мм) с измененны-
ми кристаллической и электронной структурой, химическим составом и физи-
ко-химическими свойствами по сравнению с основным материалом.
Под физико-химическими свойствами поверхностного слоя понимают ос-
таточные напряжения, наклеп и характеристики структуры его материала
Широкое внедрение в практику контроля физико-химических свойств по-
верхности началось с конца 60-х годов прошлого столетия, когда появилась
специальная вакуумная технология.
Основная задача анализа поверхности: установить элементный состав по-
верхности, определить количество и природу адсорбированных на ней частиц и
выяснить свойства поверхностных атомов или адсорбированных частиц.
Под поверхностью при этом, как правило, понимают часть объема мате-
риала толщиной примерно 1-10 атомных слоев, лежащую под поверхностным
моноатомным слоем. Для её зондирования используют пучки частиц (электро-
нов, ионов, фотонов, нейтральных атомов) и другие виды воздействий (нагре-
вание, электрическое или магнитное поле, звуковые поверхностные волны)
(рис. 9.9). Все они (кроме магнитного поля) вызывают эмиссию вторичных час-
241
тиц: электронов, ионов, фотонов или нейтральных атомов, несущих информа-
цию о поверхности на соответствующий детектор.
Подробное изложение таких мето-
дов анализа, как рассеивание медленных
ионов (РМИ), рентгеновская фотоэлек- >
тронная спектроскопия (РФЭС), элек-
тронная спектроскопия для химического
анализа (ЭСХА), электронная ожеспек-
троскопия (ЭОС), вторично-ионная масс-
спектроскопия (БИМС), атомный зонд в
полевом ионном микроскопе (АЗГТИМ),
полевая ионная масс-спектроскопия
(ПИМС) и отражательно-адсорбционная
ИК-спектроскопия можно найти в специ-
альной литературе.
Оценка геометрических характери-
стик и физико-химических свойств мо-
жет быть непараметрической и парамет-
рической. Непараметрическая оценка
заключается в графическом изображении
макроотклонения, волнистости, шерохо-
ватости, субшероховатости, структуры,
распределения остаточных напряжений и
наклепа поверхностного слоя для визу-
ального сравнения. В частности, для не-
параметрической оценки шероховатости используют профилограммы, кривые
опорных длин профиля, кривые распределения ординат или вершин профиля,
спектрограммы профиля, топограммы и т.п.
При параметрической оценке характеристик поверхностного слоя деталей
машин используются приводимые ниже параметры.
Макроотклонение (отклонение фор-
мы) (рис. 9.10) характеризуется: Нтах -
максимальным макроотклонением, мкм;
Нр - высотой сглаживания макрооткло-
нения (расстояние от средней линии
профиля до огибающей), мкм.
Отклонение формы нормируется
значением допуска формы поверхности с
учетом ее взаимосвязи с допуском на
размер.
Волнистость (рис. 9.11) характери-
зуется:
0 ©—»3
0©
0*5 Ч
Рис. 9.9. Методы анализа по-
верхности: 1 - электроны; 2 -
электрическое поле; 3 - ионы; 4
— тепловое поле; 5 — фотоны; 6 -
звуковые поверхностные волны;
7 - нейтральные частицы; 8 -
магнитное поле
^
^iK^ftftfrb ^
Рис. 9.10. Отклонение формы по-
верхности
242
Рис. 9.11. Волнограмма поверхности
- Wa - средним арифметическим отклонением профиля волн, мкм,
1
т
N
Wa=~]\y^x,mmWa^f}
'« о "'
где /_, - базовая длина; у( - текущее значение ординаты профиля волн (расстоя-
ние от точки профиля до средней линии); dx - приращение абсциссы; N - чис-
ло ординат профиля;
- w - средней высотой волн, мкм,
где Ht - текущее расстояние от средней линии до вершины волны; fij - теку-
щее расстояние от средней линии до впадины волны;
-> WMm - наибольшей высотой профиля волн, мкм;
-W- высокой сглаживания волнистости;
- ip - относительной опорной длиной профиля волн, %;
Zj 'р.' и
"• ~ I ~ I '
w w
где tjp - опорная длина профиля волн на уровне сечения профиля р;
- Smw - средним шагом волн, мм,
Sm„ =-И
где Smwi - текущее значение шага волн; п - число шагов;
R - средний радиус выступов волн, мм,
л
2Х
wcp
243
где RKi - текущее значение радиуса выступа; п - число выступов волн.
Волнистость поверхности до настоящего времени в России не стандарти-
зована, поэтому на практике используют различные рекомендации. Так, в соот-
ветствии с рекомендациями Института машиноведения РАН волнистость в за-
висимости от ее высоты подразделяют на девять классов:
Класс волнистости I II III IV V VI VII VIII IX
Высота волны, мкм 12 4 8 16 32 64 125 250
Шероховатость (рис. 9.12) характеризуется следующими параметрами.
У\ »ttJV. - Smi • -. ■ -Si «vi
Рис. 9.12. Профилограмма шероховатости поверхности
I
Параметры по ГОСТ 2789-73:
- Ra - среднее арифметическое отклонение профиля, мкм,
£w
, или Ra = — ,
N
Ra
= fbr*.
Rz = -
5
где / - базовая длина; yt - текущая величина ординаты профиля шероховато-
сти; N - число рассматриваемых ординат профиля шероховатости;
- Rz - высота неровностей профиля по десяти точкам, мкм,
V (=1 '=1 /
где \ - высота i-ro наибольшего выступа профиля; «,■ - глубина i-й наиболь-
шей впадины профиля;
- R^ - наибольшая высота профиля, мкм;
- Sm - средний шаг неровностей профиля, мм,
N
2>
5то = -е! ,
N
где Smt - значение i-ro шага неровностей по средней линии в пределах базовой
Длины;
- S - средний шаг местных выступов профиля, мм,
244
fa
N
где 5^ - значение i-го шага по вершинам местных выступов;
t - относительная опорная длина профиля, %,
IX
',=-*-
-Ие.
I I '
где t] - опорная длина профиля на уровне р.
Нестандартизованные параметры шероховатости:
Rq - среднее квадратическое отклонение профиля, мкм.
R" = h№dx илиЛ<г =
i>,"
Rp - высота сглаживания профиля шероховатости, мкм;
Rw - глубина сглаживания профиля шероховатости, мкм;
Кр - коэффициент заполнения профиля;
у, b - параметры начального участка кривой относительных опорных длин
профиля;
ра - средний радиус выступов профиля, мкм (рис. 9.13).
Рис. 9.13. Выступ профиля шероховатости
Я
Р*=^
где рт1 - радиус i-ro выступа профиля шероховатости;
р - средний радиус местного выступа профиля шероховатости, мкм
9.13);
(рис.
245
.Pi
где Pi - радиус i-ro местного выступа профиля;
в - средний угол профиля шероховатости (рис. 9.13),
п
ЕД
а _ i=l
где Д - угол наклона i-ro выступа профиля;
При контроле шероховатости чаще всего используют профилографы, со-
единенные с мини-ЭВМ для определения параметров неровностей. Для оценки
параметров трехмерной шероховатости профилографы оснащают 2-
координатным измерительным столом.
Для профилографирования выбирают участки, наиболее характерные для
исследуемой поверхности. Таких участков должно быть не менее пяти. Длина
профилограммы, снятой с каждого участка, должна быть не менее базовой дли-
ны (ГОСТ 2789-73). Наиболее широко распространены базовые длины 0,8 мм
(для поверхности с Ra от 0,32 до 2,5 мкм). Профилограммы снимают по на-
правлению к следам обработки под углом 45°. Обработку профилограммы на-
чинают с определения положения средней линии. Средняя линия - базовая
длина, имеющая форму номинального профиля и проведенная так, что в преде-
лах базовой длины среднее квадратическое отклонение профиля до этой линии
минимально. Средняя линия, отвечающая этому условию, представляет собой
прямую, задаваемую уравнением (рис. 9.14),
У\ '"
Рис. 9.14. К определению положения средней линии профиля
шероховатости поверхности
246
или
Уо =fy>+Vo,
У о ~Ь0 +b]iAx0
где Л*,, - шаг ординат профиля; / - число ординат профиля, принятых для рас-
чета положения средней линии.
Удовлетворительные результаты при определении характеристик шеро-
ховатости получают при Дх0 = 10 мкм.
Значения коэффициентов Ь0 и А, находят из системы уравнений
•2 а-
(9.9)
В системе уравнений (9.9) значения д и Лг0 выражены в масштабе про-
филограммы. ВУ и ГУ соответственно вертикальное и горизонтальное увели-
чение, с которым снята профилограмма (ВУ выбирается с таким расчетом, что-
бы ширина записи профиля была не менее 30 мм, приемлемой величиной гори-
зонтального увеличения является величина ГУ = 200).
Расчет характеристик шероховатости ведется по ординатам профиля в
системе координат у, х. Ординаты у0 преобразуются в у с помощью сле-
дующего уравнения:
1 , . Ахп,
COS^,
где у = arctg i,.
При расчете характеристик шероховатости используются уравнения и оп-
ределения, приведенные ниже. Шаговые характеристики можно также опреде-
лять как
N
Sm = —,
М
где / - базовая длина; N - число максимумов профиля; М - число нулей (пере-
сечений профиля со средней линией) в пределах базовой длины.
Относительные опорные длины можно определять по уравнениям
247
т
/„=--,
и
где пр - число ординат, расположенных на уровне и выше уровня р; т - число
нулевых и отрицательных ординат; п - общее число рассматриваемых ординат
в пределах базовой длины.
Радиусы кривизны вершин выступов определяют по профилограммам,
снятым в поперечном и продольном направлениях. Для расчета на каждой про-
филограмме выбирают не менее пяти высоких выступов и находят для них ши-
рину сечения J, на расстоянии h = 0,\Rmla от каждой вершины (рис. 9.14). То-
гда радиус каждого выступа
Приведенный радиус определяегся как среднее геометрическое средних
значений продольного г1чмд и поперечного гм радиусов
Г ~~ ■\]Гярод Гтп •
Угол наклона отдельной неровности к средней линии находят по уравнению
где Yt, Xt - катеты треугольника, образованного перпендикуляром к средней
линии, опущенным из точки, удаленной от вершины на O.IR^,, и отрезком
прямой, проходящей параллельно средней линии из точки, отстоящей от дна
соседней впадины на 0,1/f^,, (рис. 9.14).
Расчет характеристик трехмерной шероховатости ведется по ординатам
профиля, отсчитанным от средней поверхности, положение которой устанавли-
вается методом наименьших квадратов.
Параметры волнистости могут быть определены по аналогичной методи-
ке по волнограммам, полученным с помощью профилографов или кругломеров.
Для оценки шероховатости поверхности с регулярным микрорельефом с
успехом могут бьпъ использованы приведенные параметры или параметры по
ГОСТ 24773-81.
Обозначения параметров шероховатости указывают с помощью условных
обозначений (рис. 9.15). Тип и направление неровностей (табл. 9.4) оказывает
существенное влияние на износостойкость подвижных соединений, поскольку
в той или иной степени способствует удержанию смазки на трущихся поверхностях.
Для субшероховатости: R^,. - максимальная высота неровностей субше-
роховатости, мкм; Smt - средний шаг неровностей субакрахеввпжт.
248
Полка знака
Способ обработки поверхности
и(или) другие дополнительные
указания
—' __Баэоаая длина по ГОСТ 2789-73/
/ Параметр (параметры) шероховато-
сти по ГОСТ 2789-73
'/////Х/;,^^-Услоаное обозначь»
направления неровностей
Рис. 9.15. Обозначение параметров шероховатости
Типы и обозначение направления поверхностей
Таблица 9.4
Типы неровностей
направлений
Обозначение
Типы направле-
ний неровностей
ттттт;
,Уг7
77777-,
Обозначение
ч/Г
77777-.
777-77"!
Для оценки наклепа используются:
#„„ - поверхностная микротвердость;
Нц<> ~ коэффициент упрочнения,
где Н»~. ' исх<>Дная микротвердость материала;
UH - степень наклепа, %,
249
ии =
н.. -н.,
н..
100
GH - градиент наклепа, Н/мкм,
Я,. -Я„
/
hH - глубина наклепа, мкм.
Для оценки поверхностных остаточных напряжений рекомендуются сле-
дующие параметры:
<Ужт (МПа) - макронапряжения (напряжения первого рода);
&ост (МПа) - макронапряжения (напряжения второго рода);
t^ocm (МПа) - статические искажения решетки (напряжения третьего рода)
Для измерения остаточных напряжений на образцах в основном приме-
няются механический метод измерения прогибов или деформаций на стержнях
прямоугольного сечения или на кольцах в процессе стравливания тонких по-
верхностных слоев (метод Н.Н. Давыденкова), рентгеновский неразрушающий
метод контроля, позволяющий определить макронапряжения с относительно
невысокой точностью; микронапряжения и искажения кристаллической решет-
ки определяются с помощью методов рентгеноструктурного анализа.
Для оценки поверхностных деформаций или наклепа используются: е
(%) - степень деформирования; й„ (мкм) - глубина наклепа; ин (%) - степень
наклепа; g„ (Н/мкм) - градиент наклепа; ем (%) - макродеформация решетки.
Для оценки структуры применяются: /, - размер зерен, мкм; pD (см'2) -
плотность дислокаций; cv - концентрация вакансий; 1б (нм) - размер блоков; аб
- угол разориентации блоков; {£>) (нм) - размер областей когерентного рассея-
ния; (и2\ (нм2) - среднеквадратическое смещение атомов, вызванное статисти-
ческими искажениями решетки; (и2.) (нм2) - среднеквадратическое смещение
атомов, вызванное их тепловыми колебаниями.
Для оценки фазового состава используются: Ms - тип кристаллической
структуры; а, Ь, с (мм) и а, /?, у (°) - параметры решетки фаз.
Дня оценки химического состава применяются:
с(х) (%) - профиль концентрации элементов в поверхностном слое; сф
(%) - концентрация элементов в фазах.
Для оценки экзоэлектронной эмиссии поверхности используются: / (им-
пульс) - интенсивность эмиссии; <р (ЭВ) - работа выхода электронов; у (нм) -
глубина выхода электронов.
В научных исследованиях для оценки состояния поверхностного слоя де-
талей все шире начинают применяться комплексные параметры.
250
9.4. ТОЧНОСТЬ СОЕДИНЕНИЙ ДЕТАЛЕЙ УЗЛОВ ТРЕНИЯ
Отдельные детали в ходе операций сборки компонуются посредством со-
единений в сборочные единицы. Элементарным сочетанием поверхностей де-
талей является соединение, когда две или несколько деталей сопрягаются под-
вижно или неподвижно. Форма соединяемых деталей может быть различной,
но большинство из них сопрягаются по круговым цилиндрическим, плоским и
круговым коническим поверхностям. Эти поверхности называют сопрягаемы-
ми, и именно их взаимодействие гарантирует точность соединений.
Типичным является соединение, когда одна деталь входит в другую. По-
этому все поверхности разделяют на охватываемые и охватывающие. При со-
единении двух деталей между ними может возникнуть зазор или натяг. Харак-
тер соединения деталей, определяемый значением получающегося зазора или
натяга, называют посадкой. Положение одной детали относительно другой за-
висит от взаимодействия полей допусков сопрягаемых деталей. Кроме посадок,
обеспечивающих зазоры или натяги, существует переходная посадка, при кото-
рой возможно возникновение как зазора, так и натяга.
Посадка в наибольшей степени влияет на качество соединения, так как она
определяет состояние деталей при их сопряжении, например подвижность (вал
должен обязательно вращаться во втулке) либо неподвижность (вал должен
быть обязательно связан со втулкой в одно целое). Существует понятие допуск
посадки. При посадке с зазором допуском посадки будет разность между наи-
большим и наименьшим допустимыми зазорами, а при посадке с натягом - раз-
ность между наибольшим и наименьшим допустимыми натягами.
Во многих случаях зазоры определяют по фактическим размерам деталей.
Это может быть оправдано лишь для соединений сравнительно низкой точно-
сти. С возрастанием точности деталей машины зазоры необходимо определять
с учетом отклонений формы сопрягаемых поверхностей. Тогда в каждом сече-
нии возникает свой зазор, а соединение характеризуется большим числом раз-
личных зазоров. За действительный зазор в этом случае принимают расстояние
между описанным и вписанным цилиндрами соответственно для вала и отвер-
стия. Такие цилиндры вписывают в действительные поверхности сопрягаемых
деталей или описывают вокруг них. Чем выше точность изготовления соедине-
ния, тем правомернее использование прилегающих элементов.
Для деталей, образующих посадки с натягами, необходимо определять
средние значения размеров сопрягаемых поверхностей. Такие размеры находят
в результате измерений деталей в нескольких сечениях и в нескольких направ-
лениях. И в этом случае также учитывают отклонение формы. Отклонения
формы и размеров главным образом влияют на качество соединения. Точность
размера и точность формы сопрягаемых деталей являются основными характе-
ристиками, обеспечивающими качество соединений.
Допуски и посадки представляются соответствующей системой, в основе
которой лежат ряды значений. Такая система стандартизована, что дает ощути-
мый экономический эффект. В большинстве стран мира, в том числе и в Рос-
251
сии, применяют систему допусков и посадок ISO. Допуски и посадки по ISO
предусмотрены в системе вала и в системе отверстия. Посадки в системе отвер-
стия (Я) обеспечивают зазоры и натяги соединением валов различных разме-
ров (с учетом допусков) с основным отверстием. Посадки в системе вала (А)
обеспечивают зазоры и натяги соединением отверстий различных размеров (с
учетом допусков) с основным валом.
Наиболее точным методом определения посадок является расчетный, при
этом учитывают основные физические явления при взаимодействии сопрягае-
мых деталей (например, подшипников скольжения и вращающихся в них ва-
лов). В этом случае можно учесть одновременное влияние на служебные свой-
ства деталей многих факторов. Поскольку расчеты могут оказаться сложными и
трудоемкими, для обеспечения качества следует пользоваться определенными
рекомендациями. Так, зазор в посадке, определенный при температуре 20°С,
должен быть увеличен на некоторую расчетную величину, необходимую для
компенсации температурной деформации деталей.
Посадки с зазором имеют следующие области применения:
- Я7/с8, Я8/с8 - в соединениях, работающих при повышенных темпера-
турах и не требующих высокой точности центрирования;
- H9/d9, H%jd9, H7fd& - в механизмах невысокой точности, в крупных
подшипниках, имеющих большие угловые скорости и малые нагрузки, и в ком-
прессорах для сопряжения поршень - цилиндр;
- Я7/е8, Я8/е8, Я7/е7, Я9/е9 - в легкоподвижных соединениях при
жидкостном трении, для быстровращающихся валов крупных машин, в турбо-
генераторах и электромоторах, работающих при больших нагрузках; Я7/$7,
Я8//8 - для подшипников скольжения электродвигателей малой и средней
мощности, для поршневых компрессоров и коробок скоростей станков;
- HSjgA, Яб/gS, HljgG - в точных подвижных соединениях с га-
рантированным зазором, обеспечивающих точность центрирования;
- Я8/А7 - в пинолях задней бабки и сменных зубчатых колесах станков,
сменных кондукторных втулках; обеспечивает центрирование при несколько
сниженных требованиях к соосности;
- Я9/Й9, HlQ/hlO, ЯП/All - для посадки шкивов, зубчатых колес и
муфт с закреплением шпонкой при невысокой точности и небольших нагрузках.
С помощью посадок с натягом получают неподвижные неразъемные со-
единения без дополнительного закрепления деталей. Отсутствие взаимного пе-
ремещения обеспечивается силами сцепления по контактирующим поверхно-
стям вследствие их деформирования, создаваемого натягом.
Во многих случаях соединения образуются при действии силовых факто-
ров, т.е. сил и моментов сил. Это характерно для соединений, которые точно
фиксируют взаимное положение деталей. Наличие силовых факторов приводит
к возникновению упругих деформаций сопрягаемых деталей. При этом изме-
няется характер посадок, возникают отклонения
Таблица 9.5
Параметры качества деталей машин, определяющие их эксплуатационные свойства
Эксплуатационное
свойство
Контактная
жесткость:
- первое
нагружение
- повторное
нагружение
Коэффициент
трения
Износостойкость
Свойство
материалов
*в
0
0
+
+
ат
+
0
+
+
Е
+
+
+
+
Н
+
+
+
Размер и
его точность
d(l,B)
+*
+*
0
+
т
*
0
_*
Параметр качества поверхностного слоя
max
-
+
-
н.
*
+*
.*
w.
*
+*
-*
Smw
-
.
+
Ra
R*
-
+
-
К
-*
*
+*
.*
h
+*
+*
.*
sm
+
+*
"+*"] +*n
s
0
о
0"
ocm
+*
+ j +*
K*
0
0
0
0
;*,o
+*
+*
+*
-V
0
0
о
0
Примечания: «+» и «-» означают соответственно, что увеличение или уменьшение этих параметров вызывает улучше-
ние или ухудшение эксплуатационного свойства; * - параметр оказывает основное влияние; «О» - параметр не оказы-
вает влияния на эксплуатационное свойство.
it
£ 2
н 2 л тэ -
SHso
я, j о в а
3 S "о о я
х я 3 |
Я ет £ Э б ' «■ л t О О X S
I § | 3 | * я s 8
11 ss ё В131 * *
5 S 5 s
oSsS>&3 2 в г » s * s S
Si!S5 liili^iH
- s § »■§ я s -
| ^ g ft И - '
5= ° 3 Ж
Bi-S
2 ю-
г J в 5
зЕоо^яёё^йояйсЗя
1s§ *ii2 ^ * 11 g= *
Ям" Я Я ч Ю 15
S I ■* g S - Г. 2
5 I я*
- 1Ё S§?^° Я
■с - ж о п)
е!зе*'1»л£'*.5£т
§»2я-§>§"
- « S ж -
я 8 я
* " § § I S S Щ L § | |
■KepS>??sP?a3s
м
s
Е
ш
■а
п
Я
я
X
о
Sa
о
я
и
о
и
Е
п>
•е-
254
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 9
1. Какими свойствами характеризуются материалы деталей умов трения?
2. Какими методами определяют твердость?
3. Как оценивается микротвердость поверхностного слоя?
4. Какими показателями характеризуется точность деталей?
5. Что означает понятие «технологическая наследственность»?
6. Какими показателями характеризуется поверхностный слой детали?
7. Что понимают под геометрическими параметрами качества поверхно-
стного слоя?
8. Какими параметрами оценивают волнистость и шероховатость поверх-
ности?
9. Какими параметрами характеризуют упрочнение поверхностного слоя?
10.Как обозначаются параметры шероховатости на чертеже детали?
11 .Как характеризуется точность соединения?
255
ГЛАВА 10. ПРОГРЕССИВНЫЕ ТРИБОТЕХНОЛОГИИ
Основными элементами в структуре технологических процессов являют-
ся методы обработки. Их можно разделить на три класса: без съема материала;
со съемом материала; с нанесением материала.
Методы обработки без съема материала можно условно разделить на два
вида: с изменением формы и размеров детали (обработка давлением) и без из-
менения формы и размеров детали (термическая и химико-термическая обра-
ботки).
Методы обработки давлением выполняют функции формообразования,
упрочнения, обеспечения требуемой точности и шероховатости поверхности и
физико-механических свойств. Методы термической и химико-термической
обработок применяются для упрочнения, повышения технологичности металла
И придания ему особых физических свойств.
Методы обработки со съемом материала - наиболее распространенные
методы формообразования деталей. По основному виду используемой энергии
для реализации процесса обработки эти методы делятся на механические, элек-
трофизические, электрохимические, химические и комбинированные.
10.1. ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ЛЕЗВИЙНЫМИ
ИНСТРУМЕНТАМИ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
Инструменты из поликристаллических сверхтвердых материалов (ПСТМ)
и керамики получили широкое распространение в отечественной промышлен-
ности, прежде всего в станкостроении, автомобильном и сельхозмашинострое-
нии на операциях предварительной и окончательной обработки заготовок из
чугунов, нетермообработанных сталей, твердых и труднообрабатываемых
сплавов взамен традиционных твердосплавных инструментов, а также абразив-
ной обработки.
Внедрение инструментов из ПСТМ и керамики позволяет улучшить каче-
ство обработанной поверхности (отсутствие микротрещин, прижогов и т.п.).
Рассмотрим краткую характеристику ПСТМ модификаций нитрида бора.
Эльбор-Р (композит 01) состоит из беспорядочно ориентированных кри-
сталлов кубического нитрида бора, полученных каталитическим синтезом. В
результате высокотемпературного прессования под действием высокого давле-
ния первоначальные кристаллы BNk дробятся до размеров 5...20 мкм. Физико-
механические свойства композита 01 зависят от состава исходной шихты и
термодинамических параметров синтеза (давления, температуры, времени).
Примерное массовое содержание эльбора-Р следующее: 90...92 % BNr; 2...3 %
BNk, остальное - примеси добавок-катализаторов.
Белбор (композит 02) - кубический нитрид бора, используемый для спека-
ния композита 02. Получается прямым переходом из 5 BNr в аппаратах высоко-
го давления при статическом приложении нагрузки (давление до 9 ГПа, темпе-
ратура до 3200 К). Отсутствие каталитических добавок позволяет получить бо-
256
лее высокие по сравнению с эльбором-Р физико-механические характеристики,
обеспечивает стабильность свойств белбора, а значит, и инструмента при его
длительном хранении.
Исмит (композит 03) впервые синтезирован в ИСМ НАН Украины, вы-
пускается трех марок: исмит-1, исмит-2 и исмит-3. Марки отличаются друг от
друга физико-механическими и эксплуатационными свойствами, что является
следствием различия исходного сырья и параметров синтеза. Исмит выпускает-
ся в виде заготовок различной формы, масса которых не превышает одного карата
Киборит - новый поликристаллический сверхтвердый материал, впервые
синтезированный также в ИСМ НАН Украины. Поликристаллы киборита полу-
чают горячим прессованием шихты (спеканием) при высоких статических дав-
лениях. В состав шихты входят порошок кубического нитрида бора и специ-
альные активирующие добавки. Состав и количество добавок, а также условия
спекания обеспечивают получение такой структуры ПСТМ, в которой срос-
шиеся кристаллы BNk образуют непрерывный каркас (матрицу). В межзерен-
ных промежутках каркаса образуется тугоплавкая твердая керамика. Киборит
выпускается в виде круглых пластинок диаметром до 11 мм и толщиной
3,5...5,5 мм.
Гексанит-Р (композит 10) - поликристаллический сверхтвердый материал,
основу которого составляет вюрцитоподобная модификация нитрида бора.
Технологический процесс получения гексанита-Р, как и предыдущих компози-
тов, состоит из двух операций (двухступенчатый): синтеза BNb методом прямо-
го перехода BNr —» BNb при ударном воздействии на исходный материал и
спекания порошка BNb при высоких давлениях и температурах. Для композита
10 характерна мелкозернистая структура с размером кристаллов основной фазы
BNb не более 1 мкм.
Особенности структуры определяют и особые механические свойства ком-
позита 10: он не только обладает высокими режущими свойствами, но и может
успешно работать при ударных нагрузках. Это свойство делает композит 10
особенно ценным материалом для оснащения фрез.
Среди современных инструментальных материалов в последнее время осо-
бое место занимает керамика. При этом наиболее широкое распространение
получила оксидно-карбидная (черная) керамика, состоящая из А1г03 (до 60 %),
TiC (до 20...40 %), Zr02 (до 20...40 %) и других карбидов тугоплавких металлов
с некоторыми легирующими добавками. Пластины из оксидно-карбидной ке-
рамики получают горячим прессованием в графитовых пресс-формах. К основ-
ным маркам этой группы керамики можно отнести следующие: ВЗ, ВОК-60,
ВОК-71 с химической основой А1203 и TiC. К оксидной керамике относят мар-
ки ВО-13 и ВШ, химическую основу которой составляет А1203. Группу оксид-
но-нитридной керамики представляет марка ОНТ-20 (кортинит), основными
компонентами которого являются А1лОз и TiC.
К материалам на основе нитрида кремния Si3N4 относят силинит-Р, кото-
рый за счет жестких направленных связей между атомами азота и кремния в
решетке обусловливает высокую твердость, малый коэффициент линейного
257
расширения и стабильность физико-механических свойств в широком диапазо-
не температур.
Исследование рассматриваемого инструмента на чистовых операциях с ре-
комендуемыми режимами резания обеспечивает стабильное получение шеро-
ховатости поверхности Ra=0,5...0,6 мкм, увеличивает наклеп поверхности в
1,15.-1,20 раза.
10.2. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ
Многочисленные современные методы абразивной обработки могут быть
классифицированы по целому ряду признаков:
1. По типу обрабатываемых поверхностей: наружных поверхностей тел
вращения (цилиндрических, конических, фасонных); внутренних поверхностей
тел вращения (цилиндрических, конических, фасонных); линейчатых поверхно-
стей (плоских, фасонных).
2. Виду агрегатного состояния абразивного инструмента: связанным абра-
зивом (кругами, брусками, сегментами); свободным абразивом.
3. Роду абразивного материала инструмента: абразивными зернами; зерна-
ми из синтетических и сверхтвердых материалов.
4. Характеру воздействия инструмента на обрабатываемую поверхность:
механическое (абразивное); абразивное в сочетании с электрофизическим и
(или) электрохимическим.
5. Типу рабочего процесса: шлифованием; суперфинишированием; хонин-
гованием; доводкой; гидро-, вибро-, магнитно-абразивным; свободным абрази-
вом, уплотненным инерционными силами.
6. Виду рабочей поверхности круга: периферией круга; торцом круга.
7. Направлению рабочих подач: с продольной подачей; с радиальной пода-
чей (врезанием); с тангенциальной подачей; с подачей под углом, по копиру,
обкатыванием профиля (зубчатых поверхностей); с круговой подачей.
Упрочняющее шлифование. Новым направлением в технологии абразив-
ной обработки является использование выделяющейся при шлифовании тепло-
ты для упрочнения обрабатываемой поверхности. В противоположность общей
тенденции уменьшения тепловыделения при шлифовании сущность упроч-
няющего шлифования состоит в концентрации теплоты и удлинении времени
ее действия в зоне контакта круга с заготовкой с быстрым охлаждением обра-
батываемой поверхности после выхода из зоны шлифования.
Достигается это тем, что шлифование осуществляют кругами на керамиче-
ской связке высокой твердости (CI-TI) зернистостью 16...50 при скорости дета-
ли Уд = 0,1...0,5 м/мин (обычно 20...40 м/мин) и поперечных подачах SncHJ.S..^
мм/об, деталей (обычно S = 0,0025...0,075 мм/об деталей) с удельной мощно-
стью шлифования 2...6 кВт на съем 1 см3/мин металла.
Высокие давления в зоне шлифования вызывают интенсивное тепловыде-
ление с разогревом поверхностного слоя выше критической точки Aq, что при
выдержке 0,2... 1 с и последующем резком охлаждении обеспечивает в поверх-
258
ностном слое толщиной 0,5... 1,8 мм структуру мартенсита, закалки и твердость
45...65 HRC.
Достоинство упрочняющего шлифования заключается не только в том, что
оно позволяет совместить во времени процессы шлифовании и закалки, не тре-
бует специального закалочного оборудования, уменьшает энергетические за-
траты, но и в том, что этот процесс протекает без заметных тепловых деформа-
ций обрабатываемых деталей, неизбежных при других способах закалки. Уп-
рочняющим шлифованием с последующим выхаживанием достигается точ-
ность 7...9 квалитета и Ra = 0,63...2,5 мкм.
Ленточное шлифование и полирование. Представляют собой метод об-
работки поверхностей деталей абразивным (алмазным, эльборовым) полотном в
виде замкнутой (бесконечной) ленты. Ленточное шлифование осуществляют на
свободной ветви ленты поджатием к обрабатываемой поверхности с помощью
контактного ролика, жесткого копира соответствующей формы или упругого
элемента. Обработку на свободной ветви ленты применяют при низких требо-
ваниях к качеству поверхности или для декоративной обработки. Шлифование
лентами с поджимными элементами применяют для формообразования про-
стых и сложных профильных поверхностей с высокими требованиями к их точ-
ности и качеству. Выпускаются ленточно-шлифовальные станки, полуавтоматы
и автоматы типа ЗБ820, ЗБ852, ЗБ854, ДШ44 и др.
В процессе шлифования лента, являясь упругим основанием для закреп-
ленных на ней абразивных зерен, способствует их выравниванию в плоскости
резания и увеличению их числа, что приводит к повышению производительно-
сти и качества обработки. Обычно цикл обработки не превышает 10...30 с, а
снимаемый припуск - 0,01...0,05 мм. Отклонение формы обработанной поверх-
ности при ленточном шлифовании: 0,01 мм - для наружных поверхностей вра-
щения; 0,05...0,07 мм - для фасонных поверхностей; 0,04 мм - для плоских по-
верхностей. Стойкость алмазных лент в 1000 раз превышает стойкость абразив-
ных, а алмазное ленточное шлифование с успехом заменяет суперфиниширова-
ние. На автомобильных заводах алмазные ленты на каучуковых связках приме-
няют для полирования кулачков и шеек распределительных и коленчатых ва-
лов. При этом за 20...30 с обработки шероховатость поверхности уменьшает-
ся с Ra=0,32...0,16 мкм до Ra = 0,12...0,08 мкм, стойкость алмазной ленты со-
ставляет 3...5 тыс. коленчатых валов.
Финишная обработка лепестковыми кругами. Одним из перспективных
видов эластичных абразивных инструментов являются лепестковые круги,
представляющие собой цилиндрический корпус с закрепленными по его пери-
ферии (форма ЛКП) или торцу (форма ЛКТ) лепестками абразивной, алмазной
или эльборовой шкурки. При полировании ими заготовок из стали, чугуна и
сплавов цветных металлов достигается параметр шероховатости Ra=0,63...0,04MKM.
Опыт эксплуатации лепестковых кругов показывает, что их применение
эффективно на всех типах производства, при обработке деталей из любых ма-
шиностроительных материалов и любой конфигурации. Ряд примеров приме-
нения лепестковых кругов представлен на рис. 10.1.
259
Рис. 10.1. Схемы полирования лепестковыми кругами
Абразивная обработка в струе жидкости. Суть процесса состоит в том,
что поверхность (рис. 10.2) обрабатываемой детали подвергается воздействию
струи жидкости, содержащей абразивные
частицы и направляемой под определен-
ным углом а и с определенным давлени-
ем на обрабатываемую поверхность.
Для увеличения скорости истече-
ния суспензии из сопла 2 струя обычно
подвергается воздействию сжатого воз-
духа (Р = 0,5...0,6 МПа), который подает-
ся в струйный аппарат по отдельному
трубопроводу. Струя жидкости сообщает
абразивным частицам высокую кинети-
Рис. 10.2. Схема абразивной
обработки в струе жидкости
260
ческую энергию, в результате чего при ударе о поверхность они оказывают аб-
разивное воздействие, т.е. осуществляют микрорезание, упругое и пластическое
деформирование. При оптимальных режимах обработки достигается шерохова-
тость поверхности Ra = 2,0...0,5 мкм (при исходной Ra=10...1 мкм), на обрабо-
танной матовой поверхности отсутствуют направленные риски, характерные
для многих других методов обработки.
При использовании этого метода не только снижается шероховатость по-
верхности, но и улучшаются ее физико-механические характеристики.
Магнитно-абразивная обработка (МАО). Сущность ее заключается в
том, что обрабатываемой детали или специальному магнитно-абразивному по-
рошку, помещенным в постоянное магнитное поле, сообщают принудительное
движение относительно друг друга. Схема МАО наружных поверхностей вра-
щения представлена на рис. 10.3.
Обрабатываемая деталь 3 по-
мещается между полюсными нако-
нечниками электромагнита. При
включении тока создается магнит-
ное поле. В зазоре между полюсами
и деталью засыпаются зерна специ-
ального материала, полученные ме-
тодом спекания железа с абразивом
типа кермета, ферробора и др.
(размер частиц - 100...200 мкм). В
результате действия магнитного
поля образуется своеобразная Рис. 10.3. Схема магнитно-
«щетка» в виде ориентированных абразивного полирования наружных
вдоль магнитных силовых линий поверхностей тел вращения
максимальной осью зерен порошка.
При давлении уплотненного слоя 0,5... 1,0 МПа в присутствии СОТС обрабаты-
ваемой детали сообщаются вращательное, возвратно-поступательное и осцил-
лирующее (как при суперфинишировании) движения, в результате чего осуще-
ствляется обработка.
МАО применима к обработке деталей любой геометрической формы
(плоских, цилиндрических наружных и внутренних, фасонных) из магнитных и
немагнитных материалов. Эластичный слой порошка под действием магнитно-
го поля обладает способностью формироваться у обрабатываемой поверхности,
копируя ее профиль. Это дает возможность обрабатывать сложнопрофильные
поверхности с использованием прямолинейного движения осцилляции.
Скорость детали равна 0,8...3,6 м/с, магнитная индукция - 0Д..1,2 Тл. При
таких режимах шероховатость поверхности за 60...90 с снижается в 10... 12 раз,
при этом производительность составляет 10...30 мкм/мин.
Установлено, что за 60 с обработки деталей из стали 45, имеющих исход-
ную шероховатость Ra = 1,5...0,63 мкм, создастся поверхность с шероховато-
стью Ra = 0,04...0,02 мкм, сравнительно большой относительной опорной дли-
261
ной профиля - t5o = 60...70% и радиусами закругления неровностей 300...5000
мм. Наличие на обработанной поверхности впадин исходного профиля, выпол-
няющих роль так называемых «масляных карманов», способствует улучшению
смазки при трении. Исследованиями установлено также, что благодаря сравни-
тельно мягкому воздействию эластичной щетки при МАО поверхностей в по-
верхностных слоях создаются благоприятные сжимающие напряжения взамен
растягивающих, образованных при предшествующем шлифовании. Кроме это-
го, МАО удаляет шаржированный абразивными осколками поверхностный
слой, полученный после предварительного шлифования.
Производительность МАО и качество поверхности определяются пара-
метрами магнитного поля (магнитной индукцией), величиной рабочего зазора,
зернистостью порошка, относительной скоростью вращения обрабатываемой
детали, осцилляции и продольной подачей.
Для цилиндрических поверхностей трения помимо тонкого (алмазного)
точения, растачивания, тонкого шлифования применяют хонингование, супер-
финиширование, доводку (притирку).
Хонингование. Снижает отклонения формы и повышает точность разме-
ра, уменьшает параметр шероховатости поверхности, сохраняет микротвер-
дость и структуру поверхностного слоя, увеличивает несущую поверхность и
остаточные сжимающие напряжения. Его выполняют на специальных верти-
кальных и горизонтальных хонинговальных станках.
Хонингование отверстий диаметром 6... 1500 мм с длиной более одного
диаметра осуществляют специальной головкой с равномерно раздвигающимися
в радиальном направлении абразивными брусками. Головка одновременно со-
вершает вращательное и возвратно-поступательное движения. В результате на
обрабатываемой поверхности создается мелкая сетка пересекающихся рисок от
абразивных зерен, хорошо удерживающая смазочный материал в трущихся па-
рах. В зависимости от длины хода инструмента (хон) скорость возвратно-
поступательного движения составляет 5... 8 м/мин при длине хода менее 50 мм,
18...20 м/мин при длине хода более 150 мм. Скорость вращательного движения
головки равна 30...60 м/мин. На производительность хонингования и параметр
шероховатости обрабатываемой поверхности влияет отношение
вр л»
где Vv, VH - соответственно скорость вращательного и поступательного движе-
ния.
Для предварительного хонингования заготовок из чугуна и закаленной
стали К=3...5, для окончательного хонингования заготовок из чугуна К=4...Ю,
для заготовок из закаленной стали К=5. ..7. Для незакаленной стали, коэффици-
ент К уменьшают примерно в 2 раза. Длину брусков / выбирают в зависимости
от длины L обрабатываемого отверстия. Меньшие отклонения формы отверстия
достигают при соотношении /=(0,5...0,75)L. Наиболее эффективно снижает от-
клонения формы головка с четным числом диаметрально расположенных бру-
сков по окружности, поскольку бруски работают попарно и все радиальные си-
262
лы, действующие на головку, уравновешены.
Хонингование обеспечивает 5-6-й квалитеты точности диаметральных
размеров, шероховатость поверхности Ra 0,02...0,8 мкм. Хонингование умень-
шает исходную шероховатость обрабатываемой поверхности в 2-4 раза: перед
хонингованием отверстие должно иметь точность не ниже 7-8-го квалитетов и
шероховатость Ra 3,2...6,3 мкм, при этом рекомендуемый припуск на обработку
составляет от 5... 10 мкм до 0,2 мм в зависимости от требуемой шероховатости и
диаметра отверстия.
Третьим рабочим движением хонингования является радиальный разжим
брусков. Начальное и конечное давление брусков 0,2...0,4 МПа, основной съем
припуска происходит при давлении 1,2... 1,5 МПа. Поскольку бруски клином 1
(рис. 10.4) жестко поджаты к обрабатываемой поверхности, то при хонингова-
нии исправляется пофешность формы до величины 0,005...0,01 мм. Хонинго-
вание устраняет конусность и овальность отверстия без изменения положения
его оси, поскольку головка шарнирно соединена со шпинделем станка (рис.
10.4). Если хон закрепляют жестко в шпинделе станка, заготовка должна быть
свободно установлена в приспособление (рис. 10.4), так как инструмент (хон)
направляется по обрабатываемому отверстию. Наибольшая эффективность дос-
тигается алмазным хонингованием. В процессе хонингования обязательно при-
менение смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ), выполняющей смазываю-
щее, охлаждающее и вымывающее действие.
Суперфиниширование. Применяют для окончательной отделочной обра-
ботки наружных и внутренних поверхностей вращения. Суперфиниширование
не повышает точность геометрической формы обрабатываемой поверхности,
что объясняется упругим поджимом брусков к обрабатываемой поверхности
(рис. 10.4). Абразивные бруски ] расположены в головке 2 (рис. 10.4), совер-
шающей колебательные (осциллирующие) движения при поступательном дви-
жении по обрабатываемой поверхности вращающейся заготовки 3. При этом
конструкция головки обеспечивает постоянную силу прижима брусков и низ-
кое давление в зоне обработки. Суперфинишированием получают шерохова-
тость поверхности до Ra 0,012_Д1 мкм, снижая исходную шероховатость в 2-4
раза.
По мере снятия вершин микронеровностей увеличивается контактная по-
верхность с 20...30 до 80...90%. Припуск на сторону должен превышать высоту
микронеровностей поверхности на 10...20%, чтобы не оставалось следов пре-
дыдущей обработки. В зависимости от шероховатости размер припуска на сто-
рону составляет 4...20 мкм.
При обработке заготовок из чугуна, незакаленной стали и цветных метал-
лов используют бруски из карбида кремния, при обработке заготовок из зака-
ленной стали - бруски из электрокорунда. Для обработки применяют специаль-
но предназначенные станки или модернизированные токарные станки с необ-
ходимыми приспособлениями. Заготовку (вал, гильзы и т.п.) устанавливают в
жестких центрах, базируя но центровым отверстиям заготовки или центровой
оправки; вращение передают через поводковый патрон и хомутик. Режимы об-
263
Рис 10.4. Отделочная обработка поверхностей: а, б - схемы резан- при
стким хоном соответственно; д - «^^олесо; 4 - тормозное
чатый хон; 2 - привод вращения хона 3 - 4^^J • гшюв_
устройство; е - ^^^^^^^Ц^^по^осгщ з,
ка; 3 - заготовка; ж - доводка наружной W™^^ и зубызв колеса
и, к, л, м - притирка плоскостей (з, и), сферы, °™£™ ^ вки
^ответственно: 1 - притиры; 2 - заготовка, 3 - устройство w« j
C<ZZ™, D, - главное движение; Ds - *«££S £* ^
движение круговой и продольной подачи соот^™°'""
лирующее движение; F - сила прижима
264
работки следующие: скорость колебательного движения брусков 8... 15 м/мин
(400-3000 дв. ход/мин), амплитуда колебаний 2...4 мм (до 6 мм), продольная
подача головки 0,1 мм/об, скорость вращения заготовки 16...50 м/мин в начале
цикла и 100... 150 м/мин в конце цикла, удельное давление брусков 0,1 ...03 МПа
Суперфиниширование проводят с подачей СОЖ, в качестве которой ис-
пользуют смесь керосина и 10...15 % веретенного масла. При этом обрабаты-
ваемые бруски касаются лишь выступающих из масляного слоя микронеровно-
стей; через 0,5... 1 мин при определенной высоте микронеровностей опорная
поверхность увеличивается и разрыв масляной пленки прекращается.
Доводка (притирка). Окончательный метод обработки заготовок, обеспе-
чивающий высокую размерную точность - 4-5-й квалитеты точности, отклоне-
ние формы поверхностей в пределах 0,05...0,3 мкм, высокое качество поверхно-
стного слоя - шероховатость Ra до 0,1 мкм (Rz 0,01...0,05 мкм).
Доводку выполняют на универсальных и специальных станках, обрабаты-
вая цилиндрические (наружные и внутренние), плоские и другие поверхности.
Притиры выполняют из серого чугуна (например, СЧ20). Твердость притира
должна быть меньше твердости обрабатываемой заготовки. Поверхность при-
тира шаржируется абразивными порошками, смешанными с маслом, или на его
поверхность наносят пасту. При доводке применяют тонкие абразивные пасты
на основе электрокорунда белого или хромистого, карбида кремния зеленого,
карбида бора, алмазные пасты. На универсальных станках притирку выполняют
вручную (рис. 10.4), перемещая притир по обрабатываемой поверхности, при
этом частота вращения заготовки 100... 125 мин"' в начальный период и около
50 мин"' при окончательной доводке. Механическая доводка в 2-6 раз произво-
дительнее ручной, при этом обеспечиваются стабильные эксплуатационные ха-
рактеристики поверхностей. Доводку осуществляют либо способом свободного
притира (рис. 10.4), когда притир, шарнирно соединенный со шпинделем стан-
ка, самоустанавливается по обрабатываемой поверхности, либо способом жест-
ких осей (рис. 10.4), при котором положение осей притира и заготовки остается
неизменным в процессе доводки, что обеспечивает требуемое взаимное распо-
ложение поверхностей.
Скорость относительного движения детали по притиру (или наоборот) при
предварительной доводке назначают в пределах 50...250 м/мин, при оконча-
тельной - 15...30 м/мин, при тонкой - 2... 10 м/мин. Давление притиров при тон-
кой доводке составляет 20... 150 кПа, причем меньшие значения соответствуют
меньшим параметрам шероховатости поверхности.
Притирку применяют для отделочной обработки закаленных зубьев зубча-
тых колес вместо малопроизводительного и дорогого зубошлифования, если
деформация при термической обработке невелика (менее 0,05 мм). В процессе
притирки обрабатываемое колесо (заготовка) 2 (рис. 10.4) вращается в зацепле-
нии с тремя чугунными притирами 1 - шестернями, которые притормаживают,
в результате чего создается необходимое давление в местах контакта. Колесо
или притиры имеют возвратно-поступательное движение в осевом направле-
нии, чем обеспечивают равномерную обработку всей поверхности зуба. В зубо-
265
притирочных станках оси притиров расположены параллельно оси колеса или
скрещиваются с ней.
Притиркой устраняют небольшие погрешности, сглаживают микронеров-
ности предшествующей обработки (шевингование зубьев). Припуск на притир-
ку оставляют в пределах 0,01...0,02 мм на сторону зуба. Длительность процесса
притирки колес среднего размера (т=3...5 мм) 1... 1,5 мин.
Сравнительная характеристика методов обработки заготовок приведена в табл. 10.1.
Таблица 10.1
Сравнительная характеристика методов обработки заготовок
Обработка лезвийными и абра-
зивными инструментами
Точение:
обдирка
черновая обработка
получистовая обработка
чистовая обработка
тонкая обработка
Фрезерование:
черновое
получистовое
чистовое
тонкое
Сверление и рассверливание
Зенкерование:
черновое или однократное
чистовое
Развертывание:
нормальное (предварительное)
чистовое (точное)
тонкое
Протягивание:
черновое
чистовое
Плоское шлифование:
обдирочное
предварительное
чистовое
тонкое
Круглое шлифование:
предварительное
чистовое
тонкое
Хонингование
Суперфиниширование
притирка (доводка)
Точность размеров, квалитет
14
12-14
11-13
8-10
6-8
12
10-11
8-9
7
11-12 (до 10)
12-13
10-11
9-10
7-9
5-6
10-11
6-9
0,1. ..0,16 мм на 1 м длины
0,1. ..0,16 мм на 1 м длины
0,04...0,06 мм на 1 м длины
0,016...0,025 мм на 1 м длины
8-9
7
5-6
4-5
4-5
4-5
Шероховатость
поверхности Ra,
мкм
50... 100
12,5...25
12,5
3,2...6,3
0,4...1,6
12,5...25
6,3...12,5
3,2...6,3
1,6...3,2
12,5...25
6,3... 12,5
3,2...6,3
3,6...6,3
1,6.3,2
0,4...0,8
3,2... 12,5
0,4..3,2
3,2...6,3
3,2...6,3
0,8....1,6
0,4...0,8
1,6...3,2
0,8...1,6
0,1... 0,8
0,1...0,4
0,05...0,1
0,02...0,2
266
10.3. МЕТОДЫ ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО
ДЕФОРМИРОВАНИЯ
Обработка, основанная на поверхностном пластическом деформировании
(ППД) тонких поверхностных слоев, имеет по сравнению с обработкой резани-
ем ряд преимуществ, обусловливающих ее широкое применение: образование
мелкозернистой структуры в поверхностном слое, улучшение формы неровно-
стей, в частности больший радиус округления их вершин; благоприятное рас-
пределение материала неровностей по высоте; повышение микротвердости по-
верхности; создание в поверхностных слоях сжимающих остаточных напряже-
ний; образование регулярных микрорельефов с заданной площадью углубления
для удержания смазочного материала
Эти и другие преимущества обеспечивают повышение износостойкости,
контактной выносливости, сопротивления усталости и других эксплуатацион-
ных свойств деталей машин.
Необходимо также учитывать следующие особенности ППД:
- большинство ее методов не повышает геометрической точности обраба-
тываемой поверхности, обычно сохраняя точность, достигнутую на предшест-
вующей операции;
- образование на кромках обрабатываемой поверхности наплывов металла
толщиной 0,03...0,3 мм вследствие пластического течения материалов.
Методы ППД подразделяют на статические (обкатывание и раскатывание
шариками и роликами; выглаживание алмазное и минералокерамическими пла-
стинами; дорнование) и ударные (дробеструйная обработка, ударное раскаты-
вание, центробежное обкатывание, вибрационная объемная ударная обработка).
При статических методах обработки инструмент, рабочие тела или среда воз-
действуют на обрабатываемую поверхность с определенной силой Р, при этом
происходит плавное перемещение очага деформации по поверхности, подле-
жащей обработке. При ударных методах инструмент и рабочие тела многократ-
но воздействуют на всю обрабатываемую поверхность или ее часть, при этом
сила воздействия Р в каждом цикле изменяется от нуля или от некоторого зна-
чения до максимума. При локальном ударном воздействии очаг деформирова-
ния (как и в статических методах) последовательно и равномерно может прохо-
дить всю обрабатываемую поверхность.
Материалы для инструментов и рабочих тел должны иметь более высокие
механические свойства, чем материалы обрабатываемых деталей. Шары и ро-
лики, используемые для ППД, чаще всего изготавливают из подшипниковых
сталей типа ШХ15, 18ХГТ. В качестве материала для ударных инструментов
используют инструментальные стали У10, Р18 и др. Инструмент для поверхно-
стного дорнования, а также в некоторых случаях обкатные ролики и другие ин-
струменты изготовляют из твердых сплавов. Для изготовления выглаживателей
используют природные алмазы и синтетические сверхтвердые материалы. Для
обработки дробью и вибрационной ударной обработки применяют стальные и
стеклянные шары, дробь из отбеленного чугуна. В качестве рабочей среды при
267
такой обработке используют водные растворы щелочей, кислот и солей с хими-
ческими добавками. Для изготовления проволочных щеток применяют углеро-
дистую пружинную проволоку диаметром 0,2... 1,0 мм.
Для ППД достаточно широко используются конструкции одношариковых
устройств, предназначенных для обкатывания главным образом цилиндриче-
ских поверхностей. Для одношариковых инструментов используют обычно ша-
рики от подшипников. Жесткие шариковые инструменты (рис. 10.5) применя-
ются сравнительно редко, так как они не в состоянии обеспечить равномерный
наклеп обрабатываемой поверхности. Упругие одношариковые обкатки (рис.
10.6) получили большее распространение. Шарик 1 давит на обрабатываемую
поверхность под действием пружины, предварительное сжатие которой осуще-
ствляется с помощью винта 5.
< 2 3 4 S 6
Рис. 10.5. Жесткая одношариковая обкатка:
1 - шарик; 2 - сепаратор; 3 - винт; 4,8 - шарикоподшип-
ник; 5 - корпус; 6,7 - ось шарикоподшипника
При диаметре шарика от 12 до 32 мм усилие при обкатке стальных деталей
составляет от 250...350 до 150С.2000 Н, подача - от 0,02 до 0,8 мм/об. Скорость обка-
тывания - от 15 до 20 м/миа. При таких режимах параметр шероховатости Ra
обкатанных поверхностей нахо-
дится в пределах от 0,12 до 1
мкм (при исходной шероховато-
сти - от Ra=2,5 мкм до Rz=15
мкм). При обкатывании в каче-
стве смазывающей жидкости
применяют керосин или ма-
шинное масло. Чугунные по-
верхности обкатывают без
смазки, при этом давление на
шар уменьшают в 1,5...2 раза.
Рис. 10.6. Одношариковая обкатка
упругого действия:
1 - шарик; 2 - пружина; 3 - гайка;
4 - пружина; 5 - винт
268
При сообщении шарику колебаний в направлении прдачи или в направле-
ний'Приложения нагрузки на обрабатываемой поверхности образуется регуляр-
ный микрорельеф, оказывающий благоприятное влияние на эксплуатационные
свойства деталей. При обкатывании широко используются различные конструк-
ции роликовых инструментов. На рис. 10.7 показана роликовая обкатка, которая
может быть установлена в резце-
держатель токарного или строгаль-
ного станка. На игольчатом под-
шипнике установлен ролик, кото-
рый может перемещаться на вели-
чину паза h в корпус устройства. Ре-
гулирование давления, передавае-
мого на ролик, осуществляется пру-
жиной 2 с помощью гайки 3.
Режимы обкатывания зависят
от размеров ролика, формы его ра-
бочей части, а также свойств обка-
тываемых материалов. Так, при об-
катывании цилиндрических деталей
из стали ЗОХГСНА диаметром от 20
до 200 мм и диаметре ролика 100 мм
с профильным радиусом его рабо-
чей части 2,5...3 мм давление на ро-
лик составляет от 1600...2200 до
3600...4600 Па. Скорость обкатыва-
ния находится в пределах от 20 до
200 м/мин, подача - 0.04..Д08
мм/об. После обкатывания параметр шероховатости Ra составляет от 0,04 до
0,32 мкм (при исходной шероховатости Ra =1,25...5 мкм).
Конструкции роликовых раскатников для обработки отверстий однотип-
ны (рис. 10.8). Ролики в таких раскатниках цилиндрические или в виде усечен-
ного конуса (с конусностью 1:3). Максимальный диаметр ролика - 12 мм, длина
— до 25 мм. Заборная часть роликов коническая или сферическая радиусом
0,6...3 мм, ось роликов расположена по отношению к оси опорного ролика под
углом 30'... 1°30'. В раскатниках некоторых типов через центральное отверстие
и через отверстия в средней части опорного конуса в зону обработки подводит-
ся смазывающе-охлаждаюшая жидкость. Так как ролики не имеют материаль-
ной оси вращения, то они фиксируются в требуемом положении относительно
заготовки сепаратором трубчатой формы, в окнах которого они расположены.
Необходимый задний угол вдавливания роликов определяется соотношением
конусности роликов и опорного конуса.
Рис. 10.7. Роликовая обкатка упругого
действия: 1 - ролик; 2 - пружина;
3 - гайка
269
Рис. 10.8. Роликовый раскатник для обработки отверстий диаметром 90... 100
мм: 1 - оправка; 2 - крышка; 3 - ролик; 4 - разгрузочный ролик; 5 - опорный
конус; 6 - сепаратор; 7 - втулка; 8 - стакан; 9, 11- гайки; 10 - пружина; 12
- поводок; 13 - подшипник; 14, 15 - винты; 16 — шайба; 17 — шпонка
Выглаживание заключается в пластическом деформировании обрабаты-
ваемой поверхности скользящим по ней инструментом (сферическим инденто-
ром из природного алмаза или из сверхтвердого материала, твердосплавной или
минералокерамической пластиной). Наибольшее распространение получило
алмазное выглаживание. Инструмент для выглаживания представлен на рис 10.9.
Рабочая часть £
.Ы,емепее - I !**_
Рис. 10.9. Инструмент для выглаживания со сферической
рабочей частью
Кристаллы алмаза крепят в корпусе инструмента механически, пайкой, с
использованием клея с высокими механическими свойствами. Поликристаллы
синтетических сверхтвердых материалов крепят в корпусе, как правило, меха-
нически—запрессовкой и завальцовкой или поджатием резьбовой пробкой. Чем
меньше шероховатость поверхности рабочей части инструмента, тем более вы-
сокое качество обработки достигается.
270
Рис. 10.10. Схема установки выглаживателя
со сферической рабочей поверхностью при
обработке цилиндрической поверхности
Увеличение срока службы алмазного инструмента обеспечивается мак-
симальным использованием всего участка рабочей поверхности алмаза. Для
этого выглаживатель со сферической рабочей поверхностью должен быть уста-
новлен под углом а = 10... 15° к нормали обрабатываемой поверхности в плос-
кости круга (рис. 10.10) или образующей. Это дает такой эффект, как использо-
вание неперетачиваемых пластинок - при повороте алмаза вокруг оси на угол а
= 90... 120° в работу каждый раз вводится новая, неизношенная поверхность.
В зависимости от спо-
соба внедрения алмазного
инструмента различают же-
сткое и упругое выглажива-
ние. При жестком выглажи-
вании инструмент закреп-
ляют подобно резцу.- Ос-
новное преимущество уст-
ройств с упругим элемен-
том нагружения - постоян-
ство заданной силы выгла-
живания независимо от по-
грешностей установки и
точности геометрической
формы обрабатываемой поверхности. В зависимости от системы нагружения
приспособления для выглаживания могут быть механическими, пневматиче-
скими, гидравлическими, магнитными, электромагнитными и комбинирован-
ными. Наибольшее распространение получили приспособления с механической
системой нагружения с помощью винтовых и пластинчатых пружин.
Существуют следующие разновидности выглаживания (рис. 10.11): глад-
кое, вращающимся наконечником (а); наконечником, вибрирующим в направ-
лении подачи инструмента (б); наконечником, вибрирующим перпендикулярно
к обрабатываемой поверхности (в); нанесение винтовых (кольцевых) канавок
(г); выглаживание с изменением кинематики и режимов по программе (д).
Для вибрационного выглаживания необходимо использовать специаль-
ные приспособления, обеспечивающие возвратно-поступательное движение
инструмента, например, за счет вращения эксцентрика.
Дня ударного упрочнения может быть использована схема, когда ударник
совершает возвратно-поступательное движение, например посредством криво-
шипно-шатуняогр механизма.
В этом случае точное соблюдение необходимых размеров отпечатка за-
труднено, так как он$ будут определяться величиной сближения между алма-
зом и обрабатываемой поверхностью. Этот недостаток можно устранить ис-
пользованием пружины, демпфирующей удар.
Дориование подразделяют на поверхностное и объемное. При поверхно-
стном дорновании пластически деформируется поверхностный слой, при объ-
емном - пластическое деформирование происходит по всему поперечному се-
яг
271
.-' чению обрабатываемой детали. Различают также свободное дориование, т.е.
дорнование без ограничения деформации по наружной поверхности и дориова-
ние в объемах.
I
а)
б)
в)
г)
Д)
НО
s %
С^р
Т \Рц
J-
*E=±F
Рис. 10.11. Кинематические разновидности выглаживания и виды микрорелье-
фов обрабатываемой поверхности
В зависимости от закрепления заготовки дорнование осуществляют по
схеме сжатия или по схеме растяжения. По назначению поверхностное дорно-
вание может быть сглаживающим, калибрующим и упрочняющим. Поверхно-
272
стное дорнование характеризуется следующими параметрами: натягом (раз-
ность исходного диаметра отверстия Д, и дорна D); силой дорнования или си-
лой тяги Р; осевой составляющей силы деформирования Q; скоростью дорно-
вания и геометрическими характеристиками дорна (рис. 10.12).
Рис. 10.12. Комбинированные режуще-деформирующие дорны
Комбинированные режуще-деформирующие дорны находят в настоящее
время все более широкое применение. Режущую часть их изготовляют из быст-
рорежущей стали или из твердого сплава (при обработке деталей из чугуна и
труднообрабатываемых материалов). Эти дорны наиболее эффективны в случа-
ях, когда длина отверстия не превышает его диаметров. Дорны, показанные на
рис. 10.12, имеют диаметр 20...70 мм. Они снабжены комплектом однозубых
деформирующих колен или блоками колец.
Основным параметром режима обработки является натяг. Для дорнования
отверстий диаметром до 80 мм он обычно составляет 0,1...0,25 мм. Чрезмерно
большой натяг приводит к разрыву пленки смазочного материала, в качестве
которого применяют различные минеральные масла. Оптимальные значения
подъема на зуб: 0,1; 0,04; 0,03 и 0,01 мм. Силу тяги чаще всего определяют экс-
периментально, обычно она составляет для различных условий дорнования от
10...20 до 100... 130 кН и более.
10.4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ
ПЛОСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ
К числу наиболее ответственных в функциональном отношении плоских
поверхностей трения следует отнести прямолинейные направляющие чугунных
станин металлорежущих станков. Наиболее широко применяют следующие
технологические методы их обработки.
Шлифование. Производят на специальных плоскошлифовальных станках
с подвижным столом (для станин длиной до 2000 мм) или с подвижной колон-
ной (для станин длиной до 7000 мм). Подобные станки снабжаются нескольки-
273
ми шлифовальными бабками, позволяющими осуществлять как торцовое, так и
периферийное шлифование. Чаще всего производят шлифование чашечными
абразивными кругами, а для достижения высокой точности поверхности и Ra
до 0,1 мкм применяют круги из кубического нитрида бора.
Фрезерование тонкое. Выполняют на продольно-фрезерных станках тор-
цовыми фрезами с одним зубом (ножом), оснащенным твердым сплавом марки
ВК, без охлаждения. При этом получают поверхность с Ra и 0,4 мкм.
Строгание тонкое. Производят на продольно-строгальных станках, так
называемыми «широкими» твердосплавными резцами с длиной режущего лез-
вия до 60 мм или резцами из быстрорежущей стали с длиной режущего лезвия
до 100 мм. При этом резец должен быть установлен так, чтобы его режущая
кромка была строго параллельна обрабатываемой плоскости. Высокие требова-
ния предъявляются к прямолинейности и остроте режущей кромки, для их
обеспечения для твердосплавных резцов применяют шлифование алмазными
кругами, а для быстрорежущих резцов - доводку на чугунных дисках, шаржи-
рованных абразивными микропорошоками. После тонкого строгания получают
поверхность с Ra < 0,8 мкм.
Шабрение. Шабрение применяют главным образом в следующих случаях:
а) при особо высоких требованиях к плоскостности и прямолинейности
направляющих (допуск меньше 0,01/1000 мм), которые не обеспечиваются ни
тонким строганием, ни фрезерованием, ни тонким шлифованием (в этих случа-
ях шабрение производят с помощью универсальных шабровочных линеек);
б) для улучшения качества по-
верхности направляющих, обработан-
ных тонким строганием, в частности
для устранения неблагоприятных про-
дольных рисок от широкого резца и
создания беспорядочных штрихов на
поверхности, благодаря которым улуч-
шается смазываемость направляющих
(в этом случае чаще всего применяют
способ шабрения го сопряженной детали).
Поверхностное пластическое де-
формирование (ППД). Осуществляет-
ся на продольно-строгательных, про-
дольно-фрезерных и шлифовальных
станках с помощью роликовых и шар-
нирных инструментов.
На рис. 10.13 показана шариковая
головка упругого деформирования,
предназначенная для установки на фре-
зерных станках.
На корпусе 2 головки напрессова-
но кольцо упорного подшипника 1, по
а н паи
Рис. 10.13. Шпиндельная
пружинная шариковая головка
274
которому катятся рабочие шарики 14, расположенные в конусных гнездах се-
паратора 15. Последний свободно вращается на подшипнике 13, установленном
по скользящей посадке на выступ корпуса. Под действием усилия пружины 10
происходит поджим шариков к беговой дорожке опорного кольца и перемеще-
ние подшипника с сепаратором через гайку 4, винт 11 и шайбу 12. Между хво-
стовиком 7 и корпусом головки расположена тарельчатая пружина 5, рассчи-
танная на определенное рабочее давление, регулируемая гайкой 6, которая сто-
порится сухарями и винтами 3. Вращение от хвостовика к головке передается
через шпонку 8, прикрепленную винтами 9 к выступу хвостовика.
Такие шарнирные головки напоминают по своей конструкции торцовую
фрезу, у которой вместо ножей установлены шарики, которые во время обра-
ботки оставляют на поверхности круговые, взаимно пересекающиеся следы.
При исходной шероховатости поверхности RaHK= 1,6 - 2,5 мкм достигается шеро-
ховатость обкатанной поверхности Ra = 0,2 - 0,8 мкм. В качестве смазки при
обкатывании стальных поверхностей применяют обычное машинное масло, чу-
гун обрабатывают без смазки, так как в процессе обработки выдавливается сво-
бодный графит, который и выполняет роль смазки. Во избежание перенаклепа и
«шелушения» поверхности чугунные направляющие следует обкатывать за
один рабочий ход.
Обкатывание образцов шариковой головкой производится на следующих
режимах: скорость - 66 м/мин; подача - 0,2 мм/шарик; диаметр шариков - 16,7
мм; давление - 500 Н/шарик. Обкатка производилась за один рабочий проход.
Глубина наклепанного слоя у чугуна составляла 0,472 мм, у стали — 0,9 мм;
степень наклепа чугуна -1,43, стали -1,21.
Перспективным методом ППД является вибрационное обкатывание (виб-
рообкатывание) (рис. 10.14). Характерной особенностью такой обработки явля-
ется то, что на главное движение накладываются колебательные перемещения в
поперечном направлении, в результате чего рабочий орган инструмента - ша-
рик - наносит на обрабатываемую поверхность синусоидальную сетку. На по-
верхности получается рисунок, вид которого зависит от основных параметров
режима обработки; давления шарика Р, амплитуды колебаний X, числа колеба-
ний п, скорости движения заготовки Vs (продольная подача), поперечной пода-
чи S„o„ (скорость обкатки).
В щеки неподвижного корпуса 1 запрессованы V-образные направляющие
призмы 16, в которых расположены шарики. С этими шариками соединена ка-
ретка 2 с V-образными направляющими, в центральное отверстие которой
вставлен хвостовик головки 3. В нижней части головки на оси 27 установлен
подшипник 26, на который опирается рабочий шарик 25, расположенный в ко-
нической резьбовой втулке 24.
Шарики 15 расположены в V-образных направляющих 14, запрессованных
в щеки коромысла 5. Коромысло установлено на палец кронштейна 11, который
в свою очередь насажен на палец 10, запрессованный в отверстие корпуса 1 и
укреплен штифтом 17.
Рис. 10.14. Устройство для обработки плоских поверхностей
виброобкатыванием конструкции В.А. Белова
Коромысло 5 имеет две степени свободы: оно может качаться на пальце
кронштейна 11 относительно горизонтальной оси и поворачиваться вместе с
кронштейном относительно вертикальной оси пальца 10. При этом обеспечива-
ется правильная установка каретки 2 по нижним и верхним шарикам 15 и ее
свободное горизонтальное перемещение. Каретка имеет одну степень свободы,
необходимую для осуществления колебательных движений рабочего шарика 25
по плоской обрабатываемой поверхности. Коромысло 5 и кронштейн 11 закре-
плены гайками соответственно 13 и 12.
Для осуществления вибрирующих движений использован эксцентриковый
механизм. В корпусе 1 на подшипниках расположен валик 20 со шкивом 9 и
шатуном 8, вращающимся в подшипнике 22, крышка 21 которого крепится к
корпусу. Шатун соединен через ось 7 и стойку 6 с кареткой 2. Подшипник 22 с
шатуном 8 насажен на валик 20 с эксцентриситетом 8. Валик 20 вращается в
подшипниках 18 и 19. При этом каретка 2 с рабочим шариком 25 колеблется в
плоскости чертежа, с амплитудой, равной двум эксцентриситетам. Рабочий ша-
рик 25 давит на обрабатываемую поверхность под действием тарированной та-
рельчатой пружины 23, предварительная затяжка которой производится с по-
мощью гайки 4. Шкив 9 получает вращение от электродвигателя через клино-
ременную передачу (на рисунке не показана).
Обработка плоских поверхностей виброобкатыванием может произво-
диться на строгальных, плоскошлифовальных и карусельных станках. Инстру-
мент рассмотренной конструкции можно использовать и при виброобработке
276
цилиндрических поверхностей валов.
'.: Эффектй^нул^авляется динамическое упрочнениеплоских чугунных по-
верхностей шариками. \
Метод наклёпывания шариками основан на использовании центробежной
силы шариков или роликов, установленных подвижно в гнездах приспособле-
ния - упрочнителя (рис. 10.15), вращающе-
гося со скоростью 10 -40 м/с, примерно
равной скорости абразивного круга. Диа-
метр упрочнителя 200 мм, диаметр шарика
7 мм, масса шарика 1,4 г, в каждом ряду
упрочнителя по 40 шариков.
Интенсивность процесса упрочнения
регулируется изменением условий упроч-
нения: окружной скорости упрочнителя,
определяющей длительность соударения
двух тел, натяга шарика, диаметра шарика
и числа шариков в упрочнителе, скорости
перемещения изготовляемой детали, пода-
чи на один рабочий ход детали и количест-
ва ходов.
На поверхности трения, наклепанной
шариками, образуется однородная шерохо-
ватость, повышается поверхностная твер-
дость и закрываются поры, что уменьшает шаржирование абразивными части-
цами трущихся поверхностей.
Вибрационная алмазная обработка (рис. 10.16) может быть реализована с
помощью устройства для вибрационного обка-
тывания конструкции (рис. 10.14) на плоско-
шлифовальном станке. Эластичные бруски со-
стоят из стального основания и эластичного
подслоя (резина), а в качестве рабочего слоя в
них использовались ленты алмазов АСО, 100%-
ной концентрации на полужесткой связке Р9.
Номинальная площадь рабочей поверхности
алмазного бруска составляет 4,9 см2. Частота
его осцилляции - 1500 дв. ходов в минуту с ам-
плитудой 4 мм. Обработка осуществляется при
обильном охлаждении СОЖ, состоящей из ке-
росина (79%), веретенного масла (20%) и олеи-
новой кислоты (1%). Для обработки лучше ис-
пользовать ленты, имеющие специальные риф-
ления для обеспечения подвода смазочно-
охлажцающей жидкости в зону резания.
Обработка алмазными эластичными бру-
Рис. 10.15. Упрочнитель для
наклепывания поверхности
шариками
Рис. 10.16. Схема алмазной
вибрационной обработки:
1 - корпус устройства;
2 - эластичный подслой
бруска; 3 - алмазная
лента; 4 - обрабатываемая
заготовка
277
сками по сравнению с другими технологическим методами обеспечивает ряд
преимуществ, в том числе высокую интенсивность съема металла благодаря
большей режущей поверхности и малую напряженность теплового потока, что
способствует устранению прижогов. Кроме того, возникают более благоприят-
ные условия для работы зерен, которые имеют возможность самоустанавли-
ваться и нивелироваться по высоте, причем нагрузка равномерно распределяет-
ся межу ними. Вследствие постоянной подвижности зерен создаются хорошие
условия для размещения и удаления стружки и шлама, что исключает засалива-
ние инструмента.
10.5. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ
К электрохимическим и электрофизическим методам обработки
(ЭХФМО) относятся методы изменения формы, размеров, шероховатости и
свойств обрабатываемых поверхностей заготовок, происходящие под воздейст-
вием электрического тока и его разрядов, электромагнитного поля, электронно-
го или оптического излучения, плазменной струи, а также высокоэнергетиче-
ских импульсов и магнитострикционного эффекта.
Большинство процессов и операций ЭХФМО сопровождается удалением
с обрабатываемых поверхностей заготовок припуска. Такие процессы и опера-
ции относят к размерной обработке. Некоторые процессы ЭХФМО осуществ-
ляют без снятия припуска с обрабатываемых поверхностей, поэтому их относят
к безразмерной (отделочной) обработке.
ЭХФМО характеризуются приведенными ниже основными технологиче-
скими особенностями, отличающими их от традиционных технологий, которые
основаны преимущественно на силовом воздействии инструмента на заготовку:
1) осуществлением обработки токопроводящих и нетокопроводящих ма-
териалов практически с любыми физико-механическими свойствами без при-
ложения значительных механических усилий и без непосредственного механи-
ческого контакта обрабатываемой поверхности инструмента с обрабатываемой
поверхностью заготовки;
2) значительно меньшей зависимостью основных технологических пока-
зателей процессов от физико-механических свойств обрабатываемого материа-
ла; сравнительно простым изменением этих показателей, при котором не требу-
ется, как правило, замены применяемого оборудования, оснастки и инструмен-
та;
3) минимальным влиянием технологических особенностей процессов и
операций на механические свойства и эксплуатационные характеристики дета-
лей;
4) относительной простотой, Низкой себестоимостью и высокой стойко-
стью применяемого инструмента, а иногда и отсутствием его износа.
Однако этим методам присущи и некоторые недостатки:
1) повышенная энергоемкость процессов при равнозначных с механооб-
работкой производительности и качественных показателях;
Таблица 10.2
Основные технические характеристики некоторых ЭХФМО
Метод
ЭХО
АМО
ЭЭО
ЭКО
ПЗО
ело
эло
УЗАО^
ЭГИО
эмо
Сущность метода
Анодное растворение
Анодное растроекие и абразивное
резание
Электроэрозионное разрушение
Разрушение под воздействием кон-
нвнтпиппяяштгп теплового потока
Разрушение под воздействием кон-
центрированного светового потока
Разрушение под воздействием кон-
центрированного потока электро-
нов
Хрупкое абразивное разрушение
Формирование волн сжатия при
высоковольтном электрическом
разряде в жидкости
Электромеханическое упрочнение
Производитель-
ность
мм3/
мин
25000
6000
25000
_
-
-
-
20000
-
500
кгч
-
-
; -
450
200...1000
20...40
3-10-2...1
-
-
-
Достижи-
мая точ-
ность обра-
ботки, мм
0,08...0,15
0,05
0,04...0,2
_
0,1.-0,5
0,01...0,02
0,01...0,02
0,01... 0,02
0,1...0,2
Исходная
Шерохова-
тость обрабо-
танной по-
верхности,
мкм
Ra=2,5...1,25
Ra=0,4
Ra=l,25...,25
Rz=20...160
Rz=320
Rz=20
Rz=20
Ra=2,5...1,25
Исходная
Rz=20
Удель-
ная
мощ-
ность,
Вт/см1
10'.. .10"
ioV.io6
10I..104
103...I0!
106...108
106...108
103...104
106...10s
10*
Рабочая сре-
да
Электролиты
Диэлектриче-
ские жидко-
Воздух, вода
Газ, жидкость
Вода, газ, ва-
куум
Вакуум (за-
щитный газ)
Абразивная
суспензия
Жидкость
Обраба-
тывае-
мый ма-
териал
Токопри-
водящий
Любой
Токопро-
водящий
Твердый,
хрупкий
Пластич-
ный
СОТС Металлы
l^piwiiiiiii'iiM'iii i wiiii ii I if -i n rr ч— • •
280
ки под действием электрических разрядов в результате электрической эрозии -
разрушения поверхности электродов при прохождении между ними .электриче-
ских разрядов. В процессах ЭЭО материал заготовки в зоне обработки плавится
и (или) испаряется и удаляется в жидком и (или) парообразном состоянии, ...
Для осуществления процесса ЭЭО инструмент-электрод и обрабатывае-
мую заготовку включают в цепь электрического колебательного контура, пре-
образующего непрерывный постоянный ток в полярные импульсы требуемой
мощности, и частоты. Основная (прямая) схема ЭЭО предусматривает соедине-
ние заготовки с плюсом (+) и инструмента - с минусом (-). Во время разряда
происходит разрушение поверхности заготовки и инструмента, при этом про-
цесс эрозии имеет ярко выраженный полярный эффект, который приводит к
преимущественному разрушению заготовки.
Во всех случаях электрический разряд происходит в жидкой среде (масло,
керосин, этиловый спирт и его водный раствор), которая способствует удале-
нию продуктов разрушения от обрабатываемых поверхностей.
К основным видам ЭЭО относятся электроискровая (ЭИО), электроим-
пульсная (ЭИМ) и электроконтактная (ЭКО) обработки.
Электроискровая обработка характеризуется короткой длительностью
импульсов (10"5...10'7 с), сравнительно небольшой их энергией, обычно прямой
полярностью подключения электродов (заготовка - (+), электрод - (-)), отсут-
ствием механического касания электродов между собой. Этот метод применя-
ется преимущественно в качестве окончательной чистовой обработки.
Электроимпульсная обработка - разновидность ЭЭО, для которой ти-
пичны повышенная длительность импульсов (10 ...10"1 с), повышенная энергия
импульсов и обратная полярность подключения электродов (заготовка - (-),
электрод - (+)), а также отсутствие их механического контакта. При этой обра-
ботке достигается более высокая производительность, чем при ЭИО, но вместе
с тем и более низкое качество поверхности, поэтому ЭИМ используется для
предварительной обработки.
Электроконтактная обработка - также разновидность ЭЭО, но сущест-
венно отличающаяся по характеру явлений, протекающих между электродами,
которые в течение определенных промежутков времени находятся в соприкос-
новении друг с другом. Теплота, расплавляющая и (или) испаряющая металл,
лишь частично возникает за счет прохождения электрического разряда. Опре-
деленная доля теплоты вводится при прохождении тока через сопротивление
контакта. Часть теплоты возникает в результате трения.
Точность обработки при ЭЭО зависит от качества изготовления электро-
да, его положения относительно заготовки, формирования межэлектродного за-
зора, способа и скорости удаления продуктов эрозии.
При ЭЭО физико-механические свойства поверхностных слоев изменя-
ются вследствие термического воздействия и электродинамических явлений. На
поверхности образуются микротрещины. Глубина дефектного слоя зависит от
энергии импульсов (Дж) и составляет 0,01...0,03 мм.
Электроэрозионное упрочнение включает легирование и наращивание по-
281
верхности. Осуществляют его обычно на воздухе. Частицы расплавленного ме-
талла инструмента на воздухе не успевают остыть и оседают на поверхности
заготовки, образуя на ней слой сплава, насыщенного легирующими элементами
электрода-инструмента (либо легирующими компонентами из состава рабочей
среды). Кроме того, нанесенный слой на заготовку закален до высокой твердо-
сти и имеет повышенную износостойкость.
При ЭЭО на точность изготовления детали влияют точность изготовления
электрода-инструмента; износ электрода-инструмента вследствие эрозии; по-
грешности формы и размеров углубления в заготовке относительно электрода-
инструмента.
Окончательный профиль углубления формируется неизменным электро-
дом-инструментом, поэтому его изготовляют на 1...2 квалитета точнее, чем об-
рабатываемую деталь. Допуск на изготовление электрода-инструмента -
0,015...0,1 мм.
При ЭЭО шероховатость поверхности определяется характером неровно-
стей, формируемых совокупностью сферических впадин. Шероховатость элек-
троискрового режима -Ra- 0,2...0,3 мкм, сталей - Яа=0,3...0,6 мкм, в электро-
импульсном режиме Ra = 20...40 мкм, при шлифовании в жидкости Ra =
0,5—0,8 мкм, при разрезании Rz = 80...200 мкм, при упрочнении и легировании
Rz = 20..200 мкм в зависимости от толщины слоя.
Рассмотрим применение лазерной обработки с помощью оптических
квантовых генераторов (ОКГ) в триботехнологии.
Твердотельные ОКГ. Лазеры, работающие в импульсно-периодическом
режиме, в качестве рабочего вещества используют твердые тела. При разряде
батареи конденсаторов лампа дает интенсивную вспышку полихроматического
света. Световое излучение воздействует на активные атомы оптического резо-
натора, которые поглощают энергию накачки, возбуждаются и затем при пере-
ходе на низшие энергетические уровни генерируют собственное излучение.
Не вся энергия, поглощенная стержнем, превращается в энергию излуче-
ния ОКГ. Значительная ее часть (40...70 %) превращается в тепло и идет на на-
грев стержня, поэтому в большинстве конструкций предусматривается охлаж-
дение водой, воздухом или жидким азотом.
Газовые ОКГ. В качестве рабочего тела используются газообразные ве-
щества, причем накачка, как правило, осуществляется за счет эффектов, свя-
занных с прохождением электрического тока через газ. В качестве активных га-
зов в газовых ОКГ применяют аргон, неон, криптон, ксенон, смеси гелия и не-
она, углекислый газ с примесью азота и гелия (C^+Nj+He).
Полупроводниковые ОКГ. Генерируют когерентное излучение за счет
процессов, происходящих в p-n-переходе. Работают как в импульсном, так и в
непрерывном режиме.
Лазерная закалка. Ее особенность заключается в том, что процесс про-
текает сочень высокой скоростью. Большая энергия лазерного излучения по-
глощается на небольшом участке поверхности за несколько миллисекунд, в ре-
зультате этого в тонких поверхностных слоях деталей происходят структурные
282
изменения, не затрагивающие основную массу детали. Высокая скорость охла-
ждения обеспечивается отводом тепла в материал детали.
Наличие сверхвысоких скоростей нагрева и охлаждения участков поверх-
ности деталей существенно отличает лазерную закалку от традиционных мето-
дов термообработки и позволяет получить высокую поверхностную микротвер-
дость - до 10 000 МПа.
Лазерное упрочнение. Этот процесс возможен в двух областях плотно-
стей энергии излучения: Q| (без оплавления поверхности) и Q2 (с оплавлением
поверхности). Обработка может осуществляться по двум схемам (рис. 10.18)
Упрочнение на режимах, ,
не приводящих к оплавлению ^.у п
поверхности (Qi = 1,5 Дж/мм).
При данных режимах упрочнения
практически не происходит изме-
нения исходной шероховатости и
геометрических размеров детали;
данная обработка может быть фи-
нишной, но так как неоднородность энергии в луче - до 40%, то возможно на-
личие отдельных неупрочненных зон.
Значания параметров упрочненного слоя даны в табл. 10.3.
Таблица 10.3
Значения параметров упрочненного слоя
.5 в) 3~фс[п
Рис. 10.18. Характер перекрытия
пятен импульсов: а - К = 0; б - К = 0,5
Обозначение
парамет-
_ Ра
Н„
Размерно-
сти
МПа
Н„
МПа
_ffiL
цкр. | 88
Q.
45
Материал — сталь марки:
6600
7000
8063
8800
21,5
109
45Х
8200
8400
90
8500
9100
21,5
131
9ХС
8800
9100
90
10400
10956
Примечания: Нц - поверхностная микротвердость; H,,max - максимальная микро-
твердость упрочненного слоя; Н^иа - исходная микротвердость материала; пц -
глубина упрочненного слоя; h^m^ — глубина залегания наибольшей микротвер-
дости.
Упрочнение на режимах, вызывающих частичное или полное оплав-
ление поверхности (Qi = 1,5...2,5 Дж/мм2). При таких режимах резко ухудша-
ется шероховатость поверхностного слоя (до R^k = 8,25 мкм). Высокая поверх-
ностная микротвердость приводят к интенсивному изнашиванию поверхностей
контактирующих поверхностей с упрочненными. В этой связи необходимо вво-
дить дополнительные отделочные операции упрочненных поверхностей. Высо-
кая поверхностная микротвердость и небольшая глубина упрочненного поверх-
ностного слоя (до 0,15 мм) исключают возможность применения традиционных
технологий. В связи с этим наиболее целесообразным является применение ин-
283
струментов из синтетических сверхтвердых материалов (ССМ) - шлифование
алмазными лентами, алмазное выглаживание и алмазное виброполирование.
Рациональное сочетание режимов лазерного упрочнения с отделочной обработ-
кой инструментами из ССМ позволяет снизить интенсивность изнашивания по-
верхности, сопрягаемой с упрочненной, в несколько раз.
Лазерное легирование. Сущность процесса заключается в насыщении
поверхностного слоя деталей элементами, повышающими физико-
механические свойства. Процесс протекает следующим образом. Вначале при-
готовляется обмазка, содержащая необходимый элемент (чаще всего - в виде
соединения), наносимая тонким слоем на участки поверхности, подлежащие ле-
гированию, после чего ее просушивают.
После этого на участки поверхности с нанесенной обмазкой воздейству-
ют лучом лазера в режиме оплавления. При оплавлении происходит растворе-
ние элементов обмазки в материале поверхностного слоя детали. Лазерное ле-
гирование в сочетании с лазерной закалкой позволяет повысить, в частности,
поверхностную микротвердость - дочОООО.^ООООМПа.
Ультразвуковая обработка. Ультразвуковые колебания - это упругие
волны, распространяющиеся в материальных средах (твердых телах, жидко-
стях, газах). Из всей весьма широкой гаммы возможностей ультразвуковых ко-
■" лебаний рассмотрим наиболее характерные (размерная обработка, ультразвуко-
i вое упрочнение, обработка свободным абразивом).
Способ размерной обработки применяется для стекла, керамики, метал-
лов, кремния, германия - материалов, обработка которых другими методами за-
труднена. Сущность процесса (рис. 10.19): когда торец инструмента 3 прибли-
i жается к обрабатываемой поверхности 5, в какой-то момент времени между
ним и деталью оказывается зажатым одно или несколько зерен абразива 4. Раз-
рушение материала происходит только при прямом ударе инструмента по зерну
^абразива, лежащему на поверхности. Сколы образуются под крупными частн-
ицами, и их размер много меньше, чем размер частиц абразива.
Ультразвуковой инстру-
'> мент соединен с концентрато-
ром 2, припаянным к ультразву-
ковому преобразователю /.
В данной схеме обработки
f различают два движения: глав-
ное - движение резания (про-
дольное колебание инструмента
с ультразвуковой частотой) и
вспомогательное - движение
подачи. Движение резания, в
свою очередь, разделяется на
главное резание, осуществляе-
мое абразивными зернами, по-
лучающими энергию от рабоче-
Рис. 10.19. Схема процесса ультра-
звуковой размерной обработки абра-
зивной суспензией
284
то торца инструмента, и, побочное резание, производимое зернами, находящи-
, мцся( между брковыми поверхностями заготовки и инструмента,
..,,...' При. обработке происходит не только хрупкое разрушение обрабатывае-
мых материалов, но и,,вязкое разрушение инструментов, изготовляемых чаше
всего из вязких материалов - низкоуглеродистых сталей. При ударах вершины
зерен, вдавливаются в поверхностный слой инструмента и вызывают пластиче-
скую деформацию.
Ультразвуковое упрочнение. Наложение ультразвуковых колебаний на
инструмент при упрочняюще-чистовой обработке позволяет на порядок
уменьшить силу прижима инструмента к заготовке. Это обусловлено тем, что
при контакте инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой, и обра-
батываемой поверхности возникает удар, при котором мгновенные значения
усилий во много раз превосходят статические значения прижима.
Данная обработка эффективна для деталей из термообработанных сталей,
инструментов и деталей из твердых сплавов, деталей малой жесткости и с тон-
кими покрытиями. Принципиальная схема упрочняюще-чистовой обработки
представлена на рис. 10.20.
На вращающуюся заготовку / дей-
ствует со статической силой Рст алмаз-
ный наконечник 2, закрепленный в ульт-
развуковом концентраторе 3, который, в
свою очередь, припаян к магнитострик-
ционному преобразователю 4.
Режимы выглаживания выбирают-
ся в зависимости от конкретных условий
и технических требований к деталям с
учетом производительного процесса.
Наконечник радиусом R = 1...5 мм
обычно изготовляется из твердых спла-
вов, природных или синтетических ал-
мазов. Амплитуда колебаний Ь, ~ 6...8
мкм при частоте f= 22..АЛ кГц, Рст =
50...100 Н. Оптимальное значение подачи S = 0,05...0,1 мм/об. Скорость выгла-
живания до 150 м/мин.
Ультразвуковое выглаживание позволяет снизить высоту шероховатости
в 8... 10 раз, получить высокую поверхностную микротвердость, повысить со-
противление усталости, коррозионную стойкость, предел выносливости.
Электромеханическая обработка (ЭМО). Основана на сочетании тер-
мического и силового воздействия на поверхностный слой обрабатываемой де-
тали. Сущность этого способа заключается в том, что в процессе обработки че-
рез место контакта инструмента с изделием проходит ток большой силы и низ-
кого напряжения, вследствие чего выступающие гребешки поверхности под-
вергаются сильному нагреву, под давлением инструмента деформируются и
сглаживаются, а поверхностный слой металла упрочняется.
Рис. 10.20. Схема процесса упроч-
няюще-чистовой обработки
285
Сглаживающий инструмент - пружинная державка с пластиной или ро-
ликовая головка. Сила сглаживания регулируется путем натяга поперечного
суппорта (рис. 10.21).
Рис. 10.21. Пружинная державка (а) с инструментом в виде пластины (б):
1 - пластина; 2 - прижим; 3 - болт Ml 2; 4 - плоская пружина; 5 - остов
державки; 6 - болт хвостовика
Основные разновидности ЭМО: электромеханическое сглаживание
(ЭМС) и электромеханическая высадка (ЭМВ).
К особенностям теплообразования и термических процессов при ЭМО
следует отнести наличие двух основных источников теплоты, создаваемых
электрическим током и трением. Локальный нагрев сопровождается действием
значительных давлений. Термический цикл (нагрев - выдержка - охлаждение)
весьма кратковременный и измеряется долями секунды. Высокая скорость ох-
лаждения определяется интенсивным отводом теплоты внутрь детали. Эти от-
личия обусловливают получение особой мелкодисперсной и твердой структуры
поверхностного слоя, обладающей высокими физико-механическими и экс-
плуатационными свойствами.
Твердость в закаленном слое с возрастанием содержания углерода в стали
увеличивается. При упрочняющем режиме ЭМО относительное увеличение
твердости по сравнению с исходным состоянием для стали 20 - в 2,1 раза, стали
45 - в 2,7 раза, стали У10 - в 3,87 раза Для конструкционных сталей макси-
мальная твердость упрочненного слоя 57...59 HRC.
Для достижения большей глубины упрочненного слоя проводится обра-
ботка токами большой величины (/„„„ = 1500 А) и низкого напряжения {U-4..9B).
Главным фактором, определяющим величину и глубину упрочнения, яв-
ляется проходящий в зоне контакта электрический ток, достигающий плотно-
сти 200 А/мм2. Такая сравнительно высокая плотность тока позволяет в корот-
кое время разогреть поверхностный слой на большую глубину (до 1 мм) до
286
температуры выше линии Ас3. В ра-
зогретой зоне происходят структур- '
ные преобразования. Для получения
структуры закалки (мартенсит, тро-
стит) необходимо использовать
внешнее охлаждение электролитом
специального состава (с добавлени-
ем элементов - ингибиторе» коррозии).
В качестве инструмента при Рис. 10.22. Схема токовых импульсов
ЭМО может применяться ролик. При этом нежелательным является его про-
скальзывание, в противном случае происходит выгорание контактной зоны.
Особенно эффективной показала себя импульсная ЭМО, т.е. подача тока
в зону контакта по импульсной схеме (рис. 10.22).
В зависимости от сочетания t„Mn и tna„ возможно получение поверхностей
с регулярной твердостью.
10.6. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАВОТКИ С НАНЕСЕНИЕМ
МАТЕРИАЛА
Методы обработки поверхностных слоев деталей, объединяемые в эту
группу, более перспективны, так как позволяют удовлетворить различным тре-
бованиям, предъявляемым к поверхностным слоям изделий, за счет создания
слоев, существенно отличающихся по своим свойствам от сердцевины деталей.
Наплавка. Сущность процесса наплавки заключается в нанесении на'по-
верхность изделий расплавленного металла. Наиболее широко наплавочные ра-
боты применяются при восстановлении различных изношенных деталей ма-
шин. При правильном выборе способа наплавки, обеспечивающего необходи-
мую производительность, и наносимого материала, позволяющего повысить
износостойкость детали, наплавочные работы могут успешно применяться так-
же при изготовлении деталей узлов трения.
При выборе материала наплавляемого слоя необходимо руководствоваться
требованиями, предъявляемыми к поверхностным слоям упрочняемых деталей
в зависимости от условий их эксплуатации. Получение необходимых свойств
наплавленного металла достигается главным образом его легированием. В ка-
честве материала наплавки могут применяться различные типы электродной и
порошковой проволоки и ленты. Весьма эффективно использование разнооб-
разных наплавочных твердых сплавов, химический состав которых может быть
выбран в соответствии с необходимыми эксплуатационными характеристиками
трущихся лимитирующих деталей автомобиля.
При наплавке электродной лентой под флюсом (рис. 10.23) достигается
высокая производительность, равномерное проплавление основного металла,
более благоприятная структура металла околошовной зоны, возможность про-
плавления за один проход слоя большого сечения при относительно небольшой
доле основного металла в нем. Износостойкость наплавленных валков по срав-
fees.
tat
•
287
нению с закаленными повы-
шается в 3...4 раза.
Механотермическая
обработка (МТО) поверхно-
стей трения. Разработана В.Я.
Кершенбаумом, позволяет в
значительной мере освобо-
диться от недостатков тради-
ционных методов наплавки.
Принципиальное отличие ме-
ханотермического формиро-
вания покрытия от традици-
онных способов в том, что в
технологической схеме ис-
пользуется механический
фактор, благодаря которому
расплавленный материал
кристаллизуется в стеснен-
ных условиях, под нагрузкой.
В результате в наплавленном
слое полностью отсутствуют
полости и пустоты, основной
металл практически не под-
плавляется (следовательно,
доля его в металле наплавки
минимальная), нанесенный слой надежно соединяется с металлом основы.
При электроконтактной МТО теплота выделяется в результате прохожде-
ния электрического тока через гранулированный сплав - среду высокого элек-
тросопротивления (рис. 10.24). При этом элементы приспособления изготовля-
ются из технической керамики.
Этим способом на основу из простой углеродистой стали наносятся леги-
рованные стали и чугуны, твердые сплавы на основе кобальта и никеля, компо-
зиционные износостойкие смеси. В зависимости от свойств формируемых по-
крытий для реализации электроконтактного способа необходима плотность то-
ка 20... 100 А/мм2, удельная нагрузка на кулачках 5... 150 МПа, продолжитель-
ность процесса в пределах 10...20 с.
При электроконтактной МТО применяется принцип совместного воздей-
ствия на формируемое покрытие термического и механического факторов. Этот
метод особенно перспективен при восстановлении и упрочнении деталей с ма-
лым износом.
Существует много разновидностей процессов высокотемпературного или
газотермического напыления.
Электродуговая металлизация. Основана на расплавлении и нанесении
в распыленном состоянии на поверхность детали металлов и сплавов в виде
Рис. 10.23. Схема наплавки электродной лен-
той под флюсом: 1 - ленточный электрод; 2 -
бункер для флюса; 3 - сварочная головка; 4 -
отсос нерасплавленного флюса; 5 - затвер-
девший шлак; б - оплавленный металл; 7 -
сварочная ванна; 8 - основной металл; 9 - ис-
точник тока
288
Рис. 10.24. Электроконтактная ме-
ханотермическая обработка: 1 -
формообразующий инструмент -
электрод; 2 - наносимый сплав в
гранулированном состоянии; 3 -
втулка из электроизоляционного
материала; 4 - стальной кожух ра-
бочей камеры; 5 - стальная основа
проволоки диаметром 1,2 - 3,2 мм (рис.
10.25). Плавление металла происходит за
счет тепла электрической дуги, которая
возбуждается между двумя или тремя
проволоками и постоянно поддержива-
ется продвижением их с постоянной
скоростью. С помощью электродуговой
металлизации производится напыление
цинком, алюминием и сталью. Главным
недостатком электродуговой металлиза-
ции является невысокая прочность сцеп-
ления напыленных покрытий с основ-
ным металлом (до 40 МГТа).
Плазменное напыление порошков
или проволоки. Осуществляется в дуго-
вой плазменной струе, температура ко-
торой достигает 5500 - 16000 °С и выше
(рис. 10.26). Дуговую плазменную струю
получают вдуванием плазмообразующе-
го газа в электрическую дугу, возбуж-
даемую между электродом и охлаж-
даемым соплом.
По сравнению с другими методами
нанесения покрытий прочность сцепле-
ния при плазменном напылении несколько
выше, но обычно не превышает 60 МПа
Рис. 10.25. Схема электродугового напыления металла на токе: а - постоянном;
6 - переменном; 1 - понижающий трансформатор; 2 - переключатель напряже-
ния; 3 - катушка с проволокой; 4 - распыляемая проволока; 5 - сопло для сжато-
го воздуха; 6 - контактные трубки; 7 - направляющее устройство для проволок;
8 - электрическая дуга; 9- факел расплавленного металла; 10- наплавляемое изделие
289
Рис. 10.26. Схемы плазменного напыления:
а - порошком; б - проволокой; / - сопло плазменной струи (анод); 2,3 - подвод
и отвод охлаждающей воды; 4 - изолирующее кольцо; 5 -подвод плазмообра-
зующего газа; 6- вольфрамовый электрод (катод); 7 - подача напыляемого по-
рошка; 8 - контактное устройство для проволоки; 9 - напыляемая проволока
(анод); 10 - направляющая трубка для проволоки
Высокочастотное напыление (рис. 10.27). Происходит плавление метал-
ла в результате индукционного нагрева, основанного на использовании явлений
электромагнитной индукции и теплового действия тока в поверхностном слое
небольшой глубины. Вследствие недостаточной прочности сцепления наноси-
мых покрытий и возможности использования только ферромагнитных материа-
лов данный способ не нашел широкого распространения.
Рис. 10.27. Схема установки для высокочастотного напыления металла:
1 - исходная проволока; 2 - проволокоподающий механизм; 3 - направляющий
конус; 4 - изоляционная втулка с каналом для сжатого воздуха; 5 - воздухоох-
лаждаемый индуктор; 6 -очаг пламени; 7 - факел распыляемого металла
290
В газопламенных процессах напыления используется тепло, выделяющее-
ся при сгорании смеси различных горючих газов с кислородом. Наибольшая
прочность сцепления покрытий при этом составляет 50-55 МПа. Для дальней-
шего повышения прочности сцепления необходимо проведение последующей
термической или какой-либо другой обработки.
Широкие возможности для упрочнения деталей машин имеют методы вы-
сокотемпературного напыления с использованием самофлюсующихся материа-
лов. Основные физико-механические свойства таких сплавов представлены в
табл. 10.4. Присутствие самофлюсующихся покрытиях бора, кремния и хрома, с
одной стороны, уменьшает температуру плавления, а с другой - при нагреве
выше 900°С обеспечивает протекание процессов диффузии, приводящей к
уменьшению пористости и образованию металлических связей между нанесен-
ным слоем и упрочняемой деталью. Гетерогенная структура самофлюсующихся
покрытий, состоящая из вязкой матрицы на основе твердого раствора, карбидов
хрома Сг2зСб и Cr7Qt, боридов никеля Ni2B и Ni3B и боридов хрома СгВ, Сг2В,
Сг5Вз, обеспечивает высокие антифрикционные свойства. Значение коэффици-
ентов трения таких покрытии более чем в 2-3 раза ниже по сравнению с зака-
ленными или цементированными поверхностями при трении между собой. Са-
мофлюсующиеся покрытия обладают высокой способностью удерживать гра-
ничные слои смазки и локализировать пластические деформации в поверхност-
ных слоях. Учитывая их высокую абразивную стойкость как при трении по за-
крепленному абразиву, так и в контакте со свободными абразивными частица-
ми в сопряжении, становятся понятными перспективы упрочнения деталей ав-
томобиля самофлюсующимися сплавами.
Таблица 10.4
Физико-механические свойства покрытий самофлюсующихся сплавов
глав Свойства
,_ , .^7,. | чу,з ; 0,258 | 4,40 [ 21,00
Примечание. При определении относительной износостойкости в качестве эта-
лона использовались образцы закаленной cram 45 (ствердостьюHRC 46-48).
291
Основными трудностями, препятствующими внедрению этих прогрессив-
ных методов упрочнения в серийное производство, являются высокая стои-
мость самофлюсующихся сплавов, значительная величина припуска и трудоем-
кость механической обработки оплавленных твердых покрытий.
Детонационное напыление. Получило распространение в последние го-
ды, обеспечивает скорость полета частиц в пределах 820 - 1200 м/с. Оно пред-
назначено для получения твердых износостойких покрытий из карбидов, со-
держащих небольшие количества различных окислов и их смесей. Толщина на-
носимого покрытия не превышает 0,15 мм. Слои, полученные детонационным
напылением, обладают высокой плотностью и значительной прочностью сцеп-
ления с основой. Недостатками этого метода являются шум (до 140 дБ) и низ-
кая производительность существующего оборудования.
Методы нанесения покрытий в вакууме. Обеспечивают получение на
изделиях тонких поверхностных слоев с высокими свойствами. Среди сущест-
вующих разнообразных методов нанесения покрытий с помощью ионного (ка-
тодного) и ионно-термического распыления, получения слоев из плазменного
разряда с горячим или холодным катодом, ионного легирования и других мето-
дов наиболее широко применяются способы нанесения покрытий с помощью
плазменных ускорителей, реализуемые на установках типа "ПУСК", "Булат" и
"Юнион". Качественное напыление этим методом рабочих поверхностей ме-
таллорежущего инструмента нитридом титана толщиной 10-20 мкм приводит
к полутора-четырехкратному повышению их стойкости. Известны случаи при-
менения ионного осаждения тугоплавких карбидов для получения покрытий
толщиной 75 мкм при ремонте различных деталей. Катодное распыление ис-
пользуют при нанесении специальных покрытий для оптических приборов,
контактов, электродов; напылении твердых смазок и износостойких покрытий
из хрома, вольфрама, нержавеющей стали (нанесение покрьпийиалезвия бритв) и тд
Анализируя свойства ионно-плазменных покрытий, прежде всего необхо-
димо отметить, что для них характерна сравнительно небольшая толщина и, ес-
ли покрытие создается для повышения износостойкости, весьма высокая твер-
дость. Наиболее часто для повышения стойкости режущего инструмента ис-
пользуется карбид титана TiC, нитрид титана TiN, оксид алюминия А120з.
Большое значение придается толщине покрытий: следует помнить, что слиш-
ком тонкое покрытие недостаточно хорошо сопротивляется изнашиванию, а
излишняя толщина покрытия служит причиной его скалывания.
Твердые покрытия толщиной 5... 10 мкм - однослойные из TiN или TiC
или же двухслойные TiC+TiN осаждаются при температуре 800.Л000 °С Твердость
покрытия TiN лежит в пределе 2000 HV, покрытия из карбида титана иди из
комплексного двухслойного покрытия TiC + TiN в 1,5 раза больше.
Прочность и износостойкость покрытий увеличиваются путем создания в
них слоев различного химического состава и физико-механических свойств.
Многослойное покрытие из карбонитридов и карбидов титана при общей тол-
щине слоя до 10 мкм может состоять из нескольких весьма тонких слоев. На-
ружный слой состоит из чрезвычайно износо- и диффузионно-стойкого карбо-
292
нитрида титана. Под ним располагаются несколько промежуточных слоев из
карбонитридов титана различного состава. Нижние слои из карбида титана
обеспечивают прочное сцепление с основным сплавом.
Ионное легирование. Сущность метода ионного легирования заключает-
ся в том, что поверхность трения деталей подвергают бомбардировке ионами
веществ с высокой энергией, которые придают большую износостойкостью или
обладают свойствами твердых смазок. При определенном уровне энергии ионы
проникают в глубину поверхности и затормаживаются, вызывая появление де-
фектов структуры и изменение первоначальных свойств поверхностных слоев.
Для ионного легирования материалов ионные пучки обладают энергией от еди-
ниц до сотен килоэлектронвольт. Процесс ионного легирования не ограничива-
ется только диффузией, он дает положительные результаты при образовании
новых соединения, которые при других методах получить невозможно. Необ-
ходимо также учитывать, что при ионном легировании всегда происходит рас-
пыление облучаемой поверхности.
Ионное легирование осуществляется в ионно-лучевых установках, кото-
рые содержат следующие узлы: ионный источник, масс-сепаратор, ускоритель-
ную секцию, сканирующее устройство, приемные камеры и вакуумную систему.
Основными узлами установки являются камера ионной имплантации и
плазменный источник ионов. Камера ионной имплантации (рис. 10.28) пред-
ставляет собой цилиндрическую обечайку, из нержавеющей стали с верхними и
нижними днищами, выполняющими роль изоляторов.
На верхнем днище смонтирован плазменный источник ионов, на нижнем -
стол для размещения обрабатываемых образцов и деталей. Все соединения вы-
полнены вакуумно плотными; камера снабжена загрузочным люком и фланцем
для подсоединения средств откачки.
В плазменном источнике ионов установлена сменная мишень специальной
формы, которая является источником ионов легируемого вещества. Источник
ионов снабжен также катодом и анодом, смонтированными на общем корпусе.
Для получения плазмы газа, например азота, к источнику ионов подключается
емкость с газом.
Микротвердость стали после ионного легирования увеличивается путем
формирования мелкодисперсных доз и искажения решетки в результате образо-
вания радиационных дефектов и возникновения внутренних напряжений. При
внедрении ионов олова, молибдена с серой уменьшается коэффициент трения и
увеличивается износостойкость сплавов.
Гальванические и химические методы защиты металлов. Применяются ча-
ще всего для повышения коррозионной стойкости деталей машин. Среди изно-
состойких покрытий наибольшее распространение получили хромирование и
никелирование.
Износостойкое хромирование. Покрытие толщиной 0,1... 1 мм наносит-
ся непосредственно на стальную поверхность. Для более прочного соединения
покрытия с основой стальная поверхность предварительно тщательно обраба-
тывается, обезжиривается, промывается и протравливается в слабом растворе
293
кислот. В результате перед нанесением хромового покрытия из электролита по-
верхность имеет минимальную высоту микронеровностей, очищена от жировых
загрязнений и оксидных пленок. Толщина и свойства хромового покрытия за-
висят от условий эксплуатации обрабатываемых деталей. Для гладких мери
тельных инструментов толщина покрытия колеблется в пределах 30... 100 мкм.
для резьбовых калибров 2...20 мкм, для пресс-форм, матриц и пуансонов 40..
100 мкм. Износостойкость режущего инструмента увеличивается после хроми-
рования в 2...3 раза, контрольно-измерительного инструмента - в 5... 10 раз.
8 9 10
Рис. 10.28. Камера ионной имплантации:
1 - источник ионов; 2 - обечайка; 3 - люк загрузочный; 4 - рабочий стол; 5 - изо-
лятор; б -фланец для подсоединения средств откачки; 7 - экран; 8 - мишень (ка-
тод); 9 - магнит; 10 -анод
Электрохимические никелевые покрытия. Имеют меньшую твердость,
чем хромовые, сравнительно легко обрабатываются, у них большая вязкость до
толщины 2 мм. При подготовке поверхности детали под никелирование ее тща-
тельно шлифуют или полируют, обезжиривают, подвергают травлению в сла-
бом растворе кислот и сушке.
294
Для повышения износостойкости покрытия часто используется осажде-
ние сплавов никеля с другими металлами. Электролитическое осаждение твер-
дого пористого слоя сплава никеля с кобальтом при последующем расширении
пор и пропитке их фторопластом снижает коэффициент трения до 0,05. Такое
покрытие увеличивает, например, срок службы штампов горячей и холодной
штамповки в несколько раз за счет того, что наряду с износостойкостью возрас-
тает стойкость против заеданий.
Практически ежегодно появляются новые технологические разновидно-
сти ранее известных способов нанесения износостойких покрытий, совершен-
ствуется состав электролитов для нанесения гальванических покрытий, исполь-
зуются новые источники энергии и прогрессивное высокоавтоматизированное
оборудование для диффузионного насыщения, разрабатываются новые схемы
наплавки и напыления и т.д.
Финишная антифрикционная безабразивная обработка (ФАБО). Сущ-
ность обработки состоит в том, что стальные и чугунные детали после оконча-
тельной традиционной обработки резанием их поверхностей трения (шлифова-
нием, полированием, хонингованием и др.) покрывают тонким слоем (1...3
мкм) латуни, меди или бронзы. Покрытия получают путем трения латунного,
медного или бронзового ярутка (инструмента) о поверхность детали, смазывая
при этом поверхность трения глицерином или какой-либо другой специальной
жидкостью. При трении материал прутка переносится на стальную (или чугун-
ную) поверхность детали.
Для того чтобы наносимый слой латуни был сплошным и ровным, по-
верхность детали не должна иметь окисных и масляных пленок, а материал ла-
туни нужно пластифицировать поверхностно-активным веществом в процессе
нанесения покрытия. Давление при трении должно обеспечивать полное при-
легание поверхности латунного прутка к поверхности детали. При таких усло-
виях перенос материала латунного прутка на деталь происходит сплошным
слоем, состоящим из очень мелких частиц, хорошо сцепленных как со стальной
(или чугунной) поверхностью, так и между собой.
Шероховатость поверхности после латунирования деталей практически не
отличается от исходной шероховатости. Слой латуни, нанесенный на стальную
поверхность, улучшает ее прирабатываемость, снижает коэффициент трения,
повышает предельно допустимые удельные нагрузки в узлах трения.
Материал инструмента должен обладать достаточной прочностью для то-
го, чтобы механически при трении разрушать окисные пленки на обрабатывае-
мой поверхности (стальной или чугунной). Этому способствует, как уже упо-
миналось, действие глицерина, который при повышении температуры является
восстановительной средой. В то же время материал инструмента должен быть
и пластичным, чтобы обеспечивать контакт с обрабатываемой поверхностью во
многих точках. Прочность инструмента должна значительно уступать прочно-
сти обрабатываемой детали^ Только в этом случае обеспечивается односторон-
ний перенос материала инструмента на материал детали.
Всем требованиям к инструменту в наибольшей степени отвечают латуни
295
Л63 и ЛС 59-1, в меньшей — медь, бронза. При попытке нанести покрытие из
таких пластичных материалов, как олово и свинец, оказалось, что они создают
хороший контакт с обрабатываемой поверхностью, но не могут произвести ее
механическую очистку из-за своей низкой прочности, быстро теряют первона-
чальную форму, текут, срезаются деталью. Получить качественное покрытие из
этих высокопластичных материалов не удалось.
Материал детали должен иметь способность образовывать ювенильную
поверхность после того, как будет разрушена окисная пленка. Прочность
сложных окислов определяет производительность процесса и может стать при-
чиной невозможности его осуществления. Этим требованиям отвечают углеро-
дистые стали и в меньшей степени легированные стали. Чугун также поддается
латунированию, но при этом сказывается отрицательное влияние графита, пре-
пятствующего контакту чистых металлов. Рабочее давление должно обеспечи-
вать разрушение окисных пленок и очистку обрабатываемой поверхности.
ФАБО не подвергаются хромированные детали, покрытые никелем и из-
готовленные из алюминиевых сплавов и некоторых других металлов и сплавов,
окисные пленки которых обладают высокими механическими свойствами или
способностью мгновенно восстанавливаться после разрушения. Не подверга-
ются также ФАБО и стальные поверхности с оксидными, фосфатными или ка-
кими-либо другими пленками.
Фрикционное латунирование в парах трения изделий машиностроения
может заменять дорогостоящие и менее безвредные для природной среды спо-
собы нанесения покрытий, предназначенные для уменьшения трения и износа,
например фосфатирование, обработку перегретым паром, азотирование, галь-
ваническое нанесение покрытия из меди и др.
Технологическая жидкость должна пластифицировать материал инстру-
мента для создания тонкого поверхностного слоя, разрыхлять окисные пленки
на обрабатываемой поверхности, предохранять зону трения от возможного пе-
регрева. Она не должна оказывать коррозийного действия на обрабатываемую
деталь. Первоначально в качестве технологической жидкости применялся гли-
церин. Однако при обработке деталей из легированных сталей глицерин не
способен разрыхлить и восстановить более плотные и сильно связанные с ос-
новным металлом сложные окислы легированных сталей, состоящих из соеди-
нений хрома, кремния, никеля, молибдена, титана и других элементов. Только
введение в глицерин в качестве флюсующей добавки соляной кислоты (на 2
части глицерина 1 часть 10-процентного раствора соляной кислоты или хлори-
стого цинка) позволило получить и на легированных сталях качественное ла-
тунное покрытие.
Недостатком глицерина является также и то, что при обработке наружных
поверхностей при повышенных скоростях скольжения вследствие жидкотеку-
чести он легко удаляется под действием центробежных сил.
Графнтирование. Обычный графитовый порошок не пригоден как добав-
ка к смазочным маслам: он быстро осаждается в масле, закупоривая смазочные
отверстия и маслопроводы. Стойкую суспензию в маслах и в воде дает колло-
296
идный графит, получаемый путем размола слоистого графита до частиц разме-
ром порядка 1 мкм.
Коллоидный графит эффективно воздействует на прирабатывание тру-
щихся поверхностей: наличие его в масле способствует более быстрому пере-
деформированию поверхностей трения, позволяя тем самым сократить время
приработки. Улучшается также качество поверхностей. Кроме того, коллоид-
ный графит увеличивает скорость распространения (растекания) смазочного
масла в 3...8 раз даже на таких плохо смачиваемых поверхностях, как полиро-
ванный хром. Графит быстро покрывает обнажающиеся в процессе приработки
участки трущихся поверхностей, образуя слой твердого смазочного материала,
что предупреждает непосредственный металлический контакт, наступающий
обычно в первые минуты работы пары трения, когда собственно и происходит
повреждение поверхности.
Графитирование производят пульверизатором при давлении 0,3...0,35
МПа, стараясь, чтобы покрытие было возможно более тонким, но без пропус-
ков и просвечивания. Затем производят сушку при температуре 180°С в течение
2 ч. Графитирование и последующую сушку выполняют дважды. Толщина слоя
графита колеблется в пределах 0,03-0,08 мм. Пленка просушенного графитного
покрытия при выдерживании детали в чистом бензине при комнатной темпера-
туре в течение 24 ч не должна терять прочности, размягчаться или отслаиваться.
Покрытие дисульфидом молибдена. Дисульфид молибдена наносят на
трущиеся детали непосредственно в виде порошка, втираемого в поверхность,
или вводят в состав пленкообразующего материала, наносимого на поверхность.
Порошек дисульфида молибдена на детали подшипников качения наносят
в галтовочных барабанах; рекомендуют на одну весовую часть обрабатываемых
деталей 2...2,5 вес. ч. технологических шаров и 0,5... 1 вес. ч. порошка; общая
загрузка барабана должна составить не менее 1/4 его объема. Продолжитель-
ность при частоте вращения барабана 30...50 мин " составляет 3^.4 ч. Обрабо-
танные детали протирают и направляют на сборку.
Для получения покрытия большей толщины и лучшего сцепления его с
поверхностью деталей последние подвергают травлению с целью повышения
шероховатости поверхности. Состав травящих растворов и режим травления
подбирают так, чтобы толщина снимаемого с поверхности детали металла не
превышала 0,5 мкм.
Покрытие дисульфидом молибдена применяют для уменьшения фреттинг-
коррозии деталей. Этот способ дает хорошие результаты, например в болтовых
соединениях прочность соединений (число циклов до разрушения) может уве-
личиваться до двух раз.
10.7. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ УЗЛОВ ТРЕНИЯ
При проектировании изделий необходимо учитывать экономиические и
экологические требования, предъявляемые к данному виду техники. Следует
297
находить такие конструктивные решения узлов и триботехнических устройств,
которые обеспечат снижение затрат труда на техническое обслуживание и те-
кущий ремонт машин, снижение стоимости капитальных ремонт, уменьшение
расхода запасных частей, экономию горючесмазочных материалов, снижение
металлоемкости конструкции, повышение производительности машины. При
этом необходимо учитывать интересы здоровья обслуживающего персонала и
потребителя техники, а также снижать вредные выбросы в окружающую среду.
Повышение износостойкости узлов трения позволяет сократить потери и
увеличить экономию материалов за счет уменьшения числа потребных запас-
ных частей. Увеличение долговечности изделий путем применения более изно-
состойких узлов трения позволяет уменьшить требуемый машинный парк об-
рабатывающего оборудования. Это приводит к значительной экономии мате-
риалов и энергии.
Применение новых конструкционных материалов позволяет уменьшить
размеры узлов трения, вес, материалоемкость и часто стоимость изделия.
Снижение коэффициента трения в узлах, повышение КПД машин и агре-
гатов приводит к значительной экономии энергии и топлива. По мнению экс-
пертов, повышение КПД автомобильных двигателей на 30% позволит вдвое
снизить расход топлива. Исследования показали, что КПД двигателей можно
повысить на 7...8% только за счет снижения коэффициента трения между
поршневыми кольцами и цилиндрами. Известны технологические процессы,
позволяющие снизить коэффициент трения в 2 раза. Это хромирование цилин-
дров двигателей с накаткой и финишная безабразивная обработка (ФАБО).
Повышение долговечности изделий и связанное с этим сокращение ма-
шинного парка оборудования снижает потребное количество специалистов для
обслуживания и ремонта. Сокращаются расходы на обучение и содержание та-
ких специалистов.
Смазочные и регулировочные работы занимают более 50% времени на
техническое обслуживание автомобилей, 60% - текстильного оборудования и
до 40% - самолетов. Применение металлоплакирующих смазочных материалов
позволяет в 3 раза сократить такие затраты.
Повышенные вибрации и шумы в машинах могут оказать существенноя
влияние на здоровье обслуживающего персонала. Путем изменения жесткости,
выбора материалов деталей, подбора смазки, обеспечения оптимального зазора
между трущимися поверхностями можно существенно снизить влияние вибра-
ционных и шумовых нагрузок на обслуживающий персонал. Замена внешнего
трения на внутреннее может обеспечить практически бесшумную работу узла
трения.
Утечка отработанного масла и его попадание на кожу человека, обслужи-
вающего или эксплуатирующего машину, может привести к серьезным послед-
ствиям (даже онкологическим заболеваниям). В значительной степени эту про-
блему можно решить путем совершенствования герметизирующих устройств
узлов трения.
Большинство тормозных систем транспортных средств (поездов, автомо-
298
билей, трамваев, троллейбусов, тракторов) содержат фрикционные элементы,
выполненные из асбеста с наполнителями. Многочисленными исследованиями
установлено, что асбест является канцерогенным веществом. При торможении
транспортного средства в атмосферу выбрасываются частицы асбеста. Будучи
небольшого размера (порядка одного микрона) эти частицы легко перемещают-
ся по воздуху, попадают в легкие людей и животных, потоками дождя они за-
носятся в водоемы и заражают их.
Мельчайшие частицы асбеста, попадая на ткани человека и животных,
прочно удерживаются на них. Удалить их с кожи человека, поверхности дыха-
тельных путей и легких практически невозможно. Частицы асбеста, длительно
находящиеся на коже, могут стать источником раковых заболеваний человека
или животных.
С учетом указанных экологических последствий директивой Европейско-
го экономического сообщества асбест запрещен к применению в странах ЕС
для изготовления фрикционных материалов. Россия поддержала это решение.
В фирме ТИИР (г. Ярославль) разработано несколько типов безасбесто-
вых фрикционных материалов, в том числе ТИИР-206, ТИИР-215 и ТИИР-302.
Аналогичные разработки безасбестовых материалов выполнены в Институте
машиноведения РАН, фирме «Трибэнерг» и в МАДИ, а также за рубежом в
фирмах «Текстар» (Германия), «Минтекс» и «Феродо» (Великобритания),
«Данлоп», «Гудьи» и др. Именно такие безасбестовые материалы и следует
применять для фрикционных элементов тормозных систем. Следует отметить,
что отечественные фрикционные материалы по стоимости в 1,5 - 2 раза дешев-
ле зарубежных аналогов и только на 25-30% дороже широко применяемых ма-
териалов из асбеста.
Таким образом, с учетом экологических требований при проектировании
изделий с узлами трения следует:
- применять для узлов трения экологически чистые масла животного,
растительного происхождения;
- использовать экологически чистые конструкционные материалы, не со-
держащие асбеста, свинца, фенола и ряда других токсичных ингредиентов и
добавок;
- совершенствовать конструкцию уплотнительных устройств, обеспечи-
вая минимизацию утечек масла в окружающую среду;
- использовать экологически чистые источники энергии;
- обеспечивать такие режимы эксплуатации машин, транспортных
средств и технологического оборудования, которые снижают объем вредных
выбросов в окружающую среду.
Таким образом, подводя итог изложенному, можно утверждать, что путем
рационального выбора конструкционных материалов, смазок, уплотнительных
устройств можно обеспечить требуемые экономические показатели проекти-
руемого изделия и минимизировать опасные выбросы в окружающую среду
при его производстве и эксплуатации.
299
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 10
1. Как классифицируются методы обработки поверхности трения?
2. Какие материалы используются при изготовлении лезвийных инстру-
ментов?
3. Как классифицируется методы абразивной обработки поверхностей тре-
ния?
4. В чем суть методов упрочняющего и ленточного шлифования, обработ-
ка лепестковыми кругами, магнитно-абразивной обработки, хонингования, су-
перфиниширования и доводки(притирки)?
5. В чем суть методов ППД?
6. Как осуществляется выглаживание поверхностей детали?
7. Что представляет собой дорнование?
8. Какие методы применяются для обработки плоских поверхностей тре-
ния?
9. На какие методы классифицируются методы физико-химической обра-
ботки?
10.В чем суть методов размерной электромеханической, эрозионной обра-
ботки?
11 .Каковы особенности лазерной обработки?
12.В чем сущность ультразвуковой обработки?
13.Что представляет собой электромеханическая обработка?
Н.Как классифицируются методы обработки с нанесением материала?
15.В чем суть процессов наплавки, электродуговой металлизации, плаз-
менного, высокочастотного и детонационного напыления?
16.Как осуществляется механотермическая обработка?
П.Какие гальванические методы применяют для повышения износостой-
кости поверхности трения?
18.В чем суть ФАБО?
19.Как осуществляются графитирование, покрытие дисульфидом молибде-
на и ионная имплантация?
300
ГЛАВА 11. ВЫБОР СПОСОБА ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ
Выбор такого способа обработки предполагает выбор методов и режимов
обработки, а также инструмента и его параметров.
Каждый из рассмотренного многообразия технологических методов име-
ет свои особенности и области применения и характеризуется определенными
факторами, обусловливающими процесс формирования параметров качества
обрабатываемых поверхностей деталей, включая влияние технологической на-
следственности.
Каждому технологическому методу обработки присущи свои количест-
венные и качественные характеристики: определенные высотные и шаговые
параметры неровностей; направление неровностей; коэффициент, степени и
глубина наклепа; величина и знак остаточных напряжений. Эти характеристики
во многом зависят от условий механической обработки: режимов и геометриче-
ских и других параметров инструмента, свойств смазывающе-охлаждающих
технологических сред, жесткости оборудования и т.н. Определение режимов
механической обработки является одной из основных задач технологической
подготовки производства. Назначаемые режимы обработки должны обеспечить
не только заданную производительность при наименьшей себестоимости, но и
регламентированные параметры качества поверхностного слоя.
А.Д. Макаров, например, показал, что для каждой пары "обрабатываемый
- обрабатывающий материал" существует средняя температура контакта, при
которой достигается наименьшая интенсивность износа инструмента. С.С. Си-
лин и его ученики разработали расчетно-экспериментальный метод определе-
ния режимов резания на основе теории подобия.
Для большинства методов механической обработки не удается получить
теоретические зависимости между технологическими факторами и параметра-
ми качества поверхностного слоя и поэтому оптимальные режимы резания ус-
танавливают опытным путем, в частности на основе методов планирования
экспериментов. Связанные с этим затраты, безусловно, окупаются в условиях
массового и крупносерийного производства, поскольку доля затрат, приходя-
щаяся на одну деталь в условиях этих производств, незначительна. Другое дело,
когда в условиях единичного и мелкосерийного производств, где широкое при-
менение находят станки с ЧПУ, стоимость часа работы которых высока, из-за
большого числа возможных комбинаций обрабатываемых и инструментальных
материалов определение оптимальных режимов обработки опытным путем мо-
жет оказаться экономически нецелесообразным. Для производств такого типа
режимы обработки (глубина и скорость резания, подача) назначаются по нор-
мативам, составленным на основании опыта специалистов в области техноло-
гической подготовки производства. Такой метод позволяет для большинства
встречающихся производственных ситуаций определить без особой гарантии
оптимальные условия обработки. Имеющиеся в практике нормативы режимов
обработки, как правило, не учитывают многообразия встречающихся на прак-
тике технологических задач, рассчитаны на обеспечение лишь одного из вы-
сотных параметров шероховатости Ra или Rz и нуждаются в корректировании.
Однако если перейти к созданию, централизованной непрерывной замене, про-
301
верке и дополнению базы данных по режимам обработки с использованием
ЭВМ, эффективность определения условий механической обработки, безуслов-
но, может быть повышена.
До настоящего времени еще недостаточно разработаны методы техноло-
гического обеспечения совокупности параметров качества поверхностного
слоя, обусловливающей эксплуатационные свойства деталей машин. Перспек-
тивным в этом отношении является экспериментально-статистический метод,
основанный на проведении механической обработки опытных заготовок с ис-
пользованием современных методов планирования и статистического анализа
результатов экспериментальных исследований.
11.1 КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ УЗЛОВ ТРЕНИЯ
При решении такого рода задач определенный интерес представляет из-
вестный опыт одного зарубежного автомобильного объединения.
Требования к качеству поверхностного слоя деталей устанавливают на
этапе конструкторской подготовки, исходя из технических условий на автомо-
биль. На основе обобщения предшествующих исследований, производственно-
го опыта и опыта собственных ремонтных ателье в производственном объеди-
нении выделяют наиболее важные в функциональном отношении поверхности
деталей, работающих в условиях трения скольжения (палец поршня, ось зубча-
того колеса масляного насоса, стержень клапана, распределитель зажигания и
др.), трения качения (шарики и ролики подшипников качения, зубья колес), со-
противления смятию (несущая сторона стержня клапана, поверхность коро-
мысла клапана, кулачки кулачкового вала), жидкостного трения (отверстие иг-
лы инжектора, лопатки турбины, впускной и выпускной патрубки), динамиче-
ского уплотнения (втулка шкива коленчатого вала, рабочая площадка водяного
насоса), статического уплотнения (гнездо клапана, опора кожуха клапана). Ус-
ловия эксплуатации поверхностей деталей подразделяют на очень трудные,
трудные, средние и легкие и в дальнейшем их уточняют в виде числовых зна-
чений факторов (например, скорости перемещения, нагрузки, применяемые
смазки и т.п.). По роду применяемого материала детали подразделяют на сталь-
ные, чугунные, алюминиевые и бронзовые.
Для каждой поверхности на основании анализа опытных данных, теоре-
тических расчетов и данных ремонтных ателье о надежности деталей устанав-
ливают требования к качеству их поверхностных слоев и прежде всего к неров-
ностям. Требования к новым деталям устанавливают на основе сравнения усло-
вий их работы с условиями работы аналогичных деталей уже апробированного
узла (по результатам испытаний опытных образцов). При этом учитывают эко-
номические соображения. Так, если стоимость ремонта узла является низкой, то
к качеству рабочих поверхностей его деталей предъявляют пониженные требо-
вания. ''
Технологическая служба разрабатывает нормативы на процессы изготов-
ления деталей, оборудование, инструмент, режимы обработки, обеспечиваю-
щие выполнение регламентированных требований к качеству поверхностных
слоев. Служба контроля качества разрабатывает методы и средства контроля.
В основе подобного подхода, очевидно, лежит физико-технический ана-
302
лиз двусторонних взаимосвязей параметров качества поверхностных слоев де-
талей с эксплуатационными свойствами и технологическими факторами, на ос-
нове которого параметры качества поверхностных слоев деталей, их материала,
способов термической, химико-термической и даже для некоторых поверхно-
стей механической обработки назначаются на стадии конструкторской подго-
товки производства. Исходя из требований чертежа детали, проектируется тех-
нологический процесс ее изготовления, выбираются методы и режимы предва-
рительной и окончательной механической обработки. На стадии изготовления
деталей обязательным является контроль заданных конструктором ее парамет-
ров качества. Стендовые испытания, по результатам которых вносятся измене-
ния в конструкторскую, а затем и технологическую документацию, имеют сво-
ей главной целью проверку, качественную оценку работоспособности испыты-
ваемого узла машины.
Таким образом, решение проблемы обеспечения эксплуатационных
свойств деталей узлов трения сводится к решению двух задач:
1) задачи конструктора по выбору материала деталей, определению их
размеров, точности и параметров качества поверхностного слоя, обеспечиваю-
щих необходимые эксплуатационные свойства исходя из их функционального
назначения (рис. 11.1);
2) задачи технолога по технологическому обеспечению точности разме-
ров и параметров качества поверхностного слоя деталей, назначенных конст-
руктором (рис. 11.2).
При решении конструкторско-технологических задач повышения износо-
стойкости деталей машин могут оказаться полезными рекомендации приведен-
ные в табл. 11.1.
Исследователи, занимающиеся вопросами трения и изнашивания, устано-
вили, что в период приработки шероховатость поверхности трения претерпева-
ет значительные изменения. Одним из основных условий завершения процесса
приработки было принято считать переход исходной технологической шерохо-
ватости к эксплуатационной. М.М. Хрущев и П.Е. Дьяченко экспериментально
показали, что по окончании приработки на поверхности трения формируется
шероховатость, не зависящая от исходной, полученной нри механической об-
работке, а зависящая только от условий изнашивания. Эта шероховатость явля-
ется оптимальной для данной пары и условий трения и обеспечивает мини-
мальное изнашивание.
Технологическое обеспечение системы параметров качества поверхност-
ного слоя вызывает известные трудности. Износостойкость трущихся поверх-
ностей деталей во многом, например, обусловливается следующей системой
параметров шероховатости Ra, Rp, Sm, tp. В этой связи представляет интерес
применение комплексных показателей качества рабочих поверхностей деталей.
Одним из таких комплексных параметров является безразмерный комплекс
Крагельского-Комбалова
д = -^а»_.
РтЬ"
303
Условия функционирования
детали (нагрузка, скорость,
температура,окружающая
среда и т.д.)
Технические условия на
изделия
Установление эксплуатационных свойств деталей машин и их
соединений и допустимых пределов их изменения, опреде-
ляющих надежность и точность узлов и машины в целом
Зависимости (или табличные данные) эксплуатационных
свойств деталей машин и соединений от физико-механических
характеристик их материалов, точности размеров, параметров
качества поверхностного слоя и условий функционирования
Выбор материалов деталей машин и определение их разме-
ров, точности, параметров качества поверхностного слоя,
обеспечивающих требуемые значения эксплуатационных
свойств в заданных пределах
Оптимизация материалов деталей, точности их размеров и
параметров качества поверхностного слоя по себестоимости
изготовления ___
ЭВМ
Рис. 11.1. Структурная схема выбора конструктором материалов, размеров,
точности и параметров состояния рабочих поверхностей деталей машин
г -i s g;
Е i» ?
S 5 У, "
- ' g л
л * = й
д я о; £
5 оч г
Д и W —
Е гь 2 за
«^ 3 3
s о г s
5 ч * 5:
га п Ч "
g s о а
В 1 -В 8
s S »
1 a u
Таблица 11.1
Конструкторское и технологическое обеспечение деталей и узлов трения, работающих в различных условиях шнашивания
Вид
изнашивания
Характерные детали и узлы
трения
Обеспечение износостойкости
конструкторское
технологическое
Абразивное Большинство машин и обору-
дования, применяемых в гор-
норудной промышленности,
сельском хозяйстве, буровое
оборудование и инструмент,
рабочие органы и ходовая
часть строительно-дорожной
и транспортной техники, дро-
бильно-размольные, смеси-
тельные машины и оборудо-
вание перерабатывающих
производств и т.п.
Применение конструк-
ций узлов трения, пре-
пятствующих попада-
нию абразивных частиц
между трущимися по-
верхностями; материа-
лов, способных упроч-
няться в процессе де-
формирования при тре-
нии (например, сталь
110Г13 Л аустенитного
класса)
Различные термофизические, термохими-
ческие и физические методы: термическая
обработка (закалка, как объемная, так и
поверхностная; газопламенным методом и
с помощью ТВЧ); цементация, азотирова-
ние, нитроцементация, борирование и др.;
пластическое деформирование поверхно-
стного слоя (дробеструйная обработка, об-
катывание роликами, гидрополирование,
использование энергии взрыва и др.); на-
плавка и напыление износостойких мате-
риалов на поверхность деталей; обработка
поверхности лучом лазера, потоком частиц
высокой энергии (ионное легирование,
ионно-плазменное напыление) и др.
Гидроабразив-
ное
Детали насосов, гидротурбин,
землесосов, энергетического
оборудования, вентиляторов;
трубопроводы и арматура для
транспортирования строи-
тельных растворов, цемента,
сыпучих материалов
Применение: материалов
с наличием карбидов в
вязкой структуре матри-
цы материала (сплав
XI2); коррозионно-
стойких сталей
(9Х18Н9Т, 40X13,
12Х18Н10Т); хромистых
чугунов, карбидо-
чугунов
Методы, обеспечивающие повышение
твердости, в т.ч. с помощью наплавляемых
материалов
J
Вид
изнашивания
Газоабразив-
Характерные детали и узлы
трения
Детали газовых турбин, обо-
рудования доменного произ-
водства, газодобывающих аг-
регатов, оборудования и уст-
ройств пневмотранспорта
Усталостное
выкрашивание
Узлы трения качения с на-
чальным или линейным кон-
тактом деталей; шариковые и
роликовые опоры, пары «ко-
лесо-рельс», зубчатые зацеп-
ления, кулачковые механиз-
мы;
усталостное изнашивание
(питтинг) зубчатых колес,
обычно возникает вблизи по-
люса зацепления
Обеспечение износостойкости
Продолжение табл. 11.
конструкторское
При подборе материала
необходимо учитывать
возможное коррозион-
ное воздействие газовой
среды и электрохимиче-
ские процессы при
взаимодействии среды и
абразивных частиц
Применение деталей с
оптимальной толщиной
упрочненного слоя
(большей, чем глубина
залегания максимальных
касательных напряже-
ний)
технологическое
Методы, обеспечивающие повышение
твердости, в т.ч. легирование, химико-
термическая и физическая (лазерная,
плазменная и др.) обработки
Методы, обеспечивающие повышение
твердости несущего слоя материала, ле-
жащего под поверхностным слоем; хими-
ко-диффузионная обработка
л-;**.*.*»»* '«WW«4*S#S^«**»W*«№A--:'?eS»^
Продолжение табл. 11.1
Вид
изнашивания
Характерные детали и узлы
Заедание
(схватывание)
Кавитацион-
ное
трения
Тяжелонагруженные зубча-
тые передачи, кулачковые
механизмы, шарнирные со-
единения, подшипниковые
опоры; цилиндропоршневые
пары, золотниковые устрой-
ства; направляющие станков;
детали, работающие при на-
личии вибраций, отсутствии
или деградации смазочного
материала
Обеспечение износостойкости
конструкторское
технологическое
Лопатки турбин, гребные ва-
лы, насосы и узлы других
гидротехнических устройств
Создание узлов трения, в
которых обеспечивается
локализация пластиче-
ского деформирования в
тонких пограничных
слоях; применение мате-
риалов с пониженной
способностью к сваты-
ванш тифрикцион-
баббиты,
бронза); применение
жидких и пластических
смазочных материалов
Применение сталей с аусте-
нитной упрочняющей струк-
туры (30Х4Г2,40ХФ,
25Х14Г8,30Х10ГФ); низко-
легированных чугунов
(10/<М,03°/<Мо)с1шровид-
ным графитом, латуни; соз-
дание гидромеханических
систем, в которых бы во всех
точках потока давление не
опускалось ниже давления
парообразования
Методы, обеспечивающие повышение
твердости материалов (например, легиро-
вание), химико-термическая обработка
(цементация, азотирование, сульфидиро-
вание и др.); нанесение на рабочие по-
верхности пленки мягких материалов
(свинца, олова), антификционных поли-
мерных покрытий, покрытий из дисульфи-
да молибдена; графитизация
Методы, обеспечивающие повышение
твердости, в т.ч. закалка с нагревом ТВЧ,
цементация, поверхностное упрочнение и
твердые наплавки, хромовые покрытия
при достаточной толщине (40мкм) и
сплошности
Вид
изнашивания
Коррозионно-
механическое
Водородное
Характерные детали и узлы
трения
Детали оборудования хими-
ческой, нефтедобывающей,
горнорудной, металлургиче-
ской, пищевой и др. отраслей
промышленности при экс-
плуатации в коррозионно-
активных средах (кислота,
щелочи, солевые растворы и
расплавы)
конструкторское
Топливные и плунжерные на-
сосы (перекачивающие неф-
тепродукты), полимерсодер-
жащие тормозные колодки,
поршневые кольца двигате-
лей внутреннего сгорания,
машины и оборудование
микробиологического и ме-
дицинского производств
Применение: коррози-
онно-стойких материа-
лов; оптимального коли-
чества присадок с по-
вышенной реакционной
способностью в смазоч-
ном материале, способ-
ствующих образованию
металл оорганических
соединений и обеспече-
нию условий химическо-
го модифицирования по-
верхностных слоев
Продолжение табл. 11.
Обеспечение износостойкости
технологическое
Применение: исключение,
где возможно, полимеров из
узлов трения; сталей, легиро-
ванных хромом, ванадием,
титаном; смазочных мате-
риалов, мало подверженных
гидрогенизации; кремнийор-
ганических присадок к мас-
лам (силанов), содержащих
атомы хлора, вступающего в
соединения с выделившимся
водородом
Методы, обеспечивающие создание по-
верхностных слоев с повышенной корро-
зионной стойкостью, а также повышение j
твердости
Введение финишных операций полирова-
ния поверхностных слоев, способствую-
щих удалению технологического водорода
ШШШШШШ&шшттш**!!»**!!**»*"
%$№"-b-z>v&f'*' —* ~ У ft
Окончание табл. 11.1
Вид
изнашивания
Фретгинг-
коррозионные
Характерные детали и узлы
трения
Обеспечение износостойкости
Электрокорро-
зионное
Заклепочные, болтовые, шли-
цевые, шпоночные, штифо-
вые соединения, прессовые
посадки деталей, шарниры,
детали газотурбинных двига-
телей и т.п., работающие в
условиях малых колебатель-
ных, циклических, возвратно-
поступательных перемеще-
ний с малыми амплитудами
конструкторское
технологическое
Создание рациональных
конструкций, обеспечи-
вающих уменьшение
влияния местных кон-
центратов напряжений и
микроперемещений в
контакте, перенос отно-
сительно движения в
промежуточную среду
(применение прокладок);
применение коррозионо-
стойких материалов;
смазочных материалов с
высокой противоокисли-
тельной стабильностью,
с повышенными адгези-
онными и адсорбцион-
ными свойствами к кон-
тактирующим поверхно-
стям
Методы повышения твердости контакти-
рующих поверхностей (в частности закал-
ка, азотирование), нанесения неметалличе-
ских покрытий
Скользящие контакты элек-
трических машин и свароч-
ных аппаратов, токосъемы
транспортных машин и уст-
ройств __
Применение электро-
проводных композици-
онных материалов; то-
копроводящих смазоч-
ных материалов
Методы создания на контактах поверхно-
стных слоев, не влияющих на процессы
передачи тока, но уменьшающих вероят-
ность схватывания, сваривания и интен-
сивного механического изнашивания
310
Сложность решения этих задач обусловлена тем, что для конкретного уз-
ла трения (геометрические размеры, материал деталей и т.п.) и определенных
условий эксплуатации (нагрузка, скорость скольжения, наличие смазки и т.н.)
важнейшими в функциональном отношении могут оказаться те или иные пара-
метры качества в силу, например, взаимной корреляционной зависимости меж-
ду ними, обусловленной условиями технологической обработки рабочих по-
верхностей деталей.
Выбрать режимы обработки для обеспечения совокупности функцио-
нальных параметров качества поверхностных слоев деталей, не имея четких
методологических рекомендаций, практически невозможно.
До настоящего времени для большинства технологических методов обра-
ботки не удается получить теоретические зависимости, связывающие режимы
резания с параметрами качества поверхностных слоев обрабатываемых загото-
вок, в частности с параметрами их шероховатости.
Трудности здесь главным образом обусловлены особенностями оценки
параметров шероховатости, которые связаны с определением прежде всего по-
ложения средней линии профиля (ГОСТ 25142-82), проводимой так, что в пре-
делах базовой длины среднее квадратическое отклонение ординат его профиля
до этой линии минимально.
11.2. ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННОГО МЕТОДОЛОГИЧЕСКОГО
ПОДХОДА К ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМУ ОБЕСПЕЧЕНИЮ КАЧЕСТВА
ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
При многообразии деталей машин (размеры, материал и т.п.), условий их
эксплуатации и возможных способов обработки их рабочих поверхностей ре-
шение проблемы технологического обеспечения их эксплуатационных свойств
возможно лишь при таком методологического подходе, каким является систем-
ный подход.
Под системой, как известно, понимают некое множество взаимосвязанных
элементов, образующих устойчивое единство, т.е. целостность. Основной
смысл данного положения заключается в установлении качественной специфи-
ки того класса множеств, элементы которых связаны в единое целое структурно
и функционально в отличие от множеств суммативного характера. Другое по-
ложение системного подхода дополняет определение данного класса объектов-
систем указанием на то, что в них целое больше суммы входящих в него частей,
подчеркивая тем самым, что системы - интегративные множества с присущими
им определенными совокупными качествами и закономерностями. Третье по-
ложение говорит о том, что всякая система является в то же врем* частью дру-
гой, более обширной системы, а ее компоненты и подсистемы, в свою очередь,
могут изучаться как самостоятельные системы. Это положение раскрывает так
называемый принцип иерархичности, многоуровневости строения систем. От-
311
дельные уровни системы обусловливают определенные аспекты ее поведения, а
ее целостное функционирование является результатом взаимодействия всех ее
сторон, уровней. Для систем характерно не только наличие связей и отношений
между образующими ее элементами, но и неразрывное единство со средой, во
взаимоотношениях с которой они проявляют свою целостность.
Главные характеристики системы (рис. 11.3):
1. Структура S, определяемая
а) рядом ее элементов Е - {с,,е2, ..., ел),
где п- число элементов системы;
б) соответствующими свойствами элементов р = {р(е,)};
в) связями элементов, определяемыми как отношения между элементами
Таким образом, структура системы представляет собой множество
s = {e,p,r\.
2. Входы и выходы
Каждая система может быть отделена гипотетической оболочкой от ее ок-
ружения. Связи между системой и окружением, пересекаемые оболочкой, мож-
но разделить
а) на входы \Х\,
б)выходы {У}.
Входы и выходы можно разделить на три общие категории: вещество,
энергия, информация.
3. Функция
Функция системы (F), используемой для некоторой технической цели,
состоит в преобразовании входов {х} в выходы {У/. Это преобразование можно
описать математическими уравнениями, физическим аналогом, словесно и т.п.
"Структурное" описание системы представляет собой попытку понять
поведение системы через ее элементы (части, уровни), а "функциональное"
описание - понять ее взаимодействие с окружающей средой через соотношения
между входами и выходами.
Общая методика системного подхода включает следующие этапы:
1) определение функции системы:
а) отделение системы от ее окружения путем выбора оболочки (распола-
гая ее как можно ближе к главным деталям механической системы);
б) перечисление всех входов и выходов;
в) описание функциональных соотношений между входами и выходами;
2) определение структуры системы:
а) идентификация элементов системы;
б) определение взаимосвязей между элементами;
в) выявление соответствующих свойств элементов.
т
I
Гипотетическая обо
дочка системы
Плотность
энергии излу-
чения
Коэффициент
перекрытия
следов обра-
ботки
Частота сле-
дования им-
пульсов и т.п.
Химический состав,
влажность и т.л.
Химический
состав
Прочность
сцепления с
основой и др.
свойства
Параметры
качества по-
верхностно-
го слоя
Производи-
тельность,
технологи-
ческая себе-
стоимость
Размеры светового
пятна
Отражательная
способность
Однородность рас-
пределения энергии
по сечению луча и
т.п.
Исходная структура
Исходная твердость и
т.п.
Рис. 11.3. Схематическое представление лазерной обработки в виде системы:
е, — е4 - элементы системы соответственно: заготовка, лазерный луч, покрытие,
окружающая среда; Pt - Pt - свойства элементов системы;
Х- вход; Y- выход
313
Функциональное описание системы должно быть дополнено подробным
изучением изменения структуры системы во времени и влияния такого измене-
ния на ее функциональное поведение. Так, при описании трибомеханических
систем следует учитывать, что они обладают структурой и функцией динами-
ческих систем. Так, изменения структуры трибомеханических систем могут
включать:
1) образование или исчезновение элементов системы (например, образо-
вание третьего тела, разрушение пленок смазки и т.п.);
2) изменение взаимосвязей элементов (вызванных, например, изменения-
ми условий смазки);
3) изменение свойств элементов системы (изменения топографии поверх-
ностей, их твердости и т.п.).
Главные виды отказов в узлах трения (истирание, задир, выкрашивание и
т.п.) с системной точки зрения связаны с изменениями структуры трибомеха-
нических систем.
Системный подход к анализу сложных объектов часто имеет форму пред-
ставления системы в виде блок-схем, специальных таблиц или так, чтобы мож-
но было использовать модель для математического исследования характери-
стик системы (рис. 11.3 и табл. 11.2). Особенно важным при этом является раз-
витие системного мышления, системного видения технического объекта, с по-
мощью которых можно лучше организовать имеющиеся опыт и знания по
обеспечению качества деталей машин.
При рассмотрении процессов формирования качества поверхностных
слоев с системных позиций представляется возможным оперативно решать рас-
сматриваемые задачи на единой методологической основе, принимая во внима-
ние многообразие конструктивных особенностей деталей, методов упрочняю-
щей и отделочной обработки рабочих поверхностей деталей и условий их экс-
плуатации. Предпосылкой этого является возможность применения статистиче-
ской теории и методологии для анализа три бомеханических (подвижные и не-
подвижные сопряжения) и технологических (операции механической обработ-
ки) систем. Проблема технологического обеспечения эксплуатационных пока-
зателей деталей машин может быть решена в известной мере и на основе выяв-
ления связей «эксплуатационные показатели - условия обработки рабочих по-
верхностей контактирующих деталей» (рис. 11.4). Поэтому возникает необхо-
димость в совершенствовании методов технологического воздействия на по-
верхностный слой деталей.
314
Щис-
Таблица 11.2
Системное описание операции электромеханического упрочнения
истема:
I. Функция
системы
2. Входные параметры системы
Операция электромеханического упрочнения
Связь между технологическим факторами и параметрами
ЯаиН
Тип оборудования
Тип приспособления
1) для заготовки
2) для инструмента
1М161 с исполь-
зованием сва-
рочного транс-
форматора ТСД-
1000
Структура системы
1) обработка в
патроне с под-
жатием задним
центром
2) оправка пру-
жинная
Глубина
Подача прод..
мм/об
Скорость, м/мин
Нагрузка на ролик,
И
Сила тока, А
Число рабочих
ходов
^, = 0,17
и 0,07
К=78 и 28
/>=750и450
/=500 и 300
/=2 и 1
Свойства эле-
ментов
Тип, обозна-
чение
Элемент 1
Втулка
Элемент 2
Размеры
Материал
Физико-
механические
и другие свой-
ства
Параметры
неровностей
d = 40 мм,
/ = 16 мм
Сталь
ЗОХГСА
НВ:3310(в
состоянии
поставка)и
1970МПа
(отжиг)
А«* = 0,45 и
0,035
Ролик
Элемент 3
СОТС
of=40 мм,
радиус профиля
р = 10 мм
Сталь XI2М
HRC358
Ra = 0,05 мкм
Другие данные:
Элемент 4
Воздух
Na2C03-0,7%
NaN02-2%
NaNOr5%
Н20-92,3%
Площадь контакта Ал
■ Л
Обработка перед упрочнением - точение
Темпера-
тура
Т=20°С
Влажность
- 78%
= 0,47 ыы2(Р,=750Щ,
!в2=0,ЗЗмм*(/>2=450Н)
4. Выходные параметры системы
Связи между Ra и Я режи-
мами обработки
Ra = 0,17A0£lwP0-26S™(HB)°
H=i,29A^,'"f-ot2pOM(HB)OJSi0-(
315
t Условия функционирования
детали {нагрузка, скорость,
температура, окружающая
среда и т.д.)
Технические условия на
изделие
1
,. ,... ,, , т. , , .I,, i - ■■ . i
Установление эксплуатационных свойств деталей машин и их со-
единений и допустимых пределов их изменения, определяющих
надежность и точность узлов и машины в целом
±
Зависимости (или табличные]
данные)эксплуатационных
свойств деталей машин и со-
единений от условий их об-
работки и сборки
т
Наличие технологиче-
ского оборудования и
оснастки на предпри-
ятии
т
Выбор возможных экономически целесообразных методов изготов-
ления деталей и их сборки с учетом конкретного производства, по-
зволяющих обеспечить требуемые эксплуатационные свойства
Расчет условий обработки и сборки (для выбранных методов),
обеспечивающих требуемые значения эксплуатационных
свойств
Нет
. Эксплуатационные
--L свойства обеспечиваются^-
Расчет себестоимости выбранных технологических методов для
определения условий обработки и сборки
т
Выбор методов условий обработки и сборки, позволяющих обес-
печить требуемые эксплуатационные свойства с наименьшей тех-
нологической себестоимостью
ЭВМ
Рис. 11.4. Структурная схема одноступенчатого решения задачи обеспечения
эксплуатационных свойств деталей машин и их соединений
316
11.3. МЕТОД ПРОБНЫХ ЗАГОТОВОК В ОБЕСПЕЧЕНИИ КАЧЕСТВА
ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ УЗЛОВ ТРЕНИЯ
В практике возникает необходимость в решении следующих задач по тех-
нологическому обеспечению параметров качества рабочих поверхностей дета-
лей машин: известны совокупность (по номенклатуре) и уровни (по номиналь-
ным значениям и допускаемым отклонениям) технологического обеспечения
функциональных параметров качества поверхностных слоев деталей; известна
совокупность, но неизвестны уровни технологического обеспечения парамет-
ров качества; неизвестны и совокупность, и уровни технологического обеспе-
чения параметров качества. Рассмотрим общий методологический подход к их
решению.
Известны совокупность и уровни технологического обеспечения функ-
циональных параметров качества. Данная задача возникает в случаях, когда
нормирование параметров качества поверхностных слоев производится либо на
основе теоретических расчетов, исходя из требуемых эксплуатационных пока-
зателей деталей, либо по прототипу, идентичному по назначению, условиям
эксплуатации, материалу и другим характеристикам. Таким образом, заранее
известны совокупность параметров качества Rt, R2, ..., R„, обусловливающих
регламентируемый эксплуатационный показатель детали, и уровни параметров
качества, подлежащих технологическому обеспечению, R„±SR,,, R2,±SR2,,
..., R„ ±<У/?;,,где R„— номинальное значение, а Щ, - допускаемое отклонение от
номинального значения параметра качества. Требуется определить режимы ме-
ханической обработки и параметры инструмента, т.е. совокупность технологи-
ческих факторов (по номенклатуре) и их уровни (по номинальным значениям),
при которых обеспечиваются заданные параметры качества. Полагаем, что
уровни технологических факторов фиксированы.
Используя статистическую теорию и методологию, можно рекомендовать
способ решения данной задачи (для принятого априори технологического ме-
тода формирования параметров качества):
1) обработка пробной партии заготовок (или пробных поверхностей заго-
товок) по плану полного или дробного факторного эксперимента;
2) измерение параметров качестваRt, R2, ..., Rt пробных заготовок;
3) разработка с помощью ЭВМ (встроенной в технологическое оборудо-
вание или выполненной в переносном варианте) математико-статистической
модели принятого способа обработки, определение на ее основе режимов, по-
зволяющих обеспечить регламентированные значения параметров качества
Я],, R2.,..., Rj,, и их допускаемые отклонения <Э?|#, SR^,,..., Ж,.;
4) обработка на данных режимах основной партии заготовок.
Поскольку связи между параметрами качества поверхностного слоя дета-
лей и технологическими факторами чаще всего являются линейными или к та-
317
ковым можно перейти, преобразовав исходные данные, например, путем лога-
рифмирования, обработку пробной партии заготовок можно проводить по пла-
нам полного 2* или дробного 2к'р факторного эксперимента с и повторениями.
Исходя из того, что число пробных заготовок не должно быть слишком
большим, следует предполагать, что наиболее приемлемыми являются планы
полных факторных экспериментов 22, 23, 24 и дробных- 21"1, 2м, 2*~3, 2'"4, а
также 25"', 2*~г, 2м, 28"4, 2'"5. Число повторений также не должно быть слиш-
ком большим; можно рекомендовать принимать в зависимости от плана экспе-
римента и-2,3,4 так, чтобы общее число обрабатываемых заготовок я = uN = «2*
или n-uN = u2k'p не превышало 8, 16, 24 или (в крайнем случае) 32. Число
пробных заготовок может быть сокращено (в зависимости от плана экспери-
мента) до 12 или 20, когда опыты с повторениями и = 4 проводятся в центре
плана (технологические факторы при этом принимают значения xt = 0 ).
Математико-статистическую модель способа обработки пробных загото-
вок можно в этом случае представить в виде следующей системы уравнений.
*
= ... +
^i/o + EV;'
(li.i)
где R, — предсказываемые значения параметра качества; Ьт, bv — коэффициен-
ты; Xj - технологические факторы, определяющие условия обработки
/ = 1,2,...,*, число факторов ка.
Уровни варьирования факторов Xj верхний и нижний, обозначаемые
соответственно +1 и -1, принимают на основе опыта и справочных данных.
Уравнения (11.1) должны содержать факторы, влияние которых на па-
раметры качества Rj является существенным на принятом уровне значимости
а, быть статистически значимыми и адекватными. Результаты математико-
статистического анализа каждого из уравнений (11.1) следует представлять в
виде табл. 11.3. Фактор х, подлежит включению в уравнения (11.1), если фак-
тические значения F{ - отношения больше критического значения
М
^=-r>^(.-i)W-
318
Таблица 11.3
Дисперсионный анализ эксперимента 2 или 2 р с и повторениями по обра-
ботке пробных заготовок (для параметра R,)
Источник
вариации
параметров
качества
Число сте-
пеней сво-
боды
Факторы:
х,
х2
Хк
Сумма
квадратов
Средний
квадрат
Регрессия
(т значи-
мых факто-
ров из к)
Остаток
Sx,
Sx2
Sxj
Sxi
F- отношение
uN-m-1
Неадекват-
ность
Воспроиз-
водимость
Сумма
^.■=2>,
"Vm - \ Зрег
MJ=,Sj
Mk=Sk
т
N-m-1
N(u-l)
uN-1
s*=s-s.
ост "е
0СЯ1
^2= A/A'
F^M/jsl
jiN-m-\
si = - s-
N-m-\
-4—'—№цц_
F -^
F - _^L
' ад ~ 2
Примечания: 1. N = 2k или N = 2k~p
яются по следующим уравнениям:
H 11 N и \ N It J
» [_ " V " '
где Л(М, - наблюдаемое значение параметра качества Л, при повторении и
та N. ,
Уравнения (11.1) в целом значимы,
число опытов по обработке пробных за-
готовок. 2. Суммы квадратов вычисляются i
опы-
, если
F -М>«*
рег 2
> Fn;uN-m-{{a\
319
и адекватны, если
^=4<^---..*<.-.)(«)
При отсутствии повторений (U=l) удается проверить только значимость
уравнений связи. Если уравнения оказались неадекватными, необходимо, как
известно, перенести центр эксперимента или изменить интервалы варьирования
факторов или провести обработку пробных заготовок по планам более высоких
порядков, позволяющих перейти к нелинейным зависимостям. Если связи меж-
ду параметрами качества и технологическими факторами оказываются незна-
чимыми, но адекватными, то уравнения (11.1) представляют в виде R\ - R,, где
*\м<' "и _ среднее значение параметра качества. Дисперсионному
N и
анализу экспериментальных данных предшествует обычно проверка однород-
ности дисперсий воспроизводимости в отдельных опытах плана с помощью
критерия Кохрана, и в случае необходимости следует так преобразовать исход-
ные данные (например, прологарифмировать их), чтобы дисперсии стали одно-
родными.
Когда опыты по обработке пробных заготовок повторяют только в центре
плана, при ж, = 0, в качестве дисперсии вошрокжздимостипринимают
K-fsO'
/и
м-1
с N(u -1) степенями свободы.
Значения коэффициентов 6,0 и blf в уравнениях (11.1) вычисляют с помо-
щью выражений
II.***.
Ь...=-*-£ ,
"> Nu
при определении коэффициента Ьа принимают условно для всех опытов
Мерой тесноты связи между параметрами качества и технологическими
факторами является отношение R2 - S^ /S0, называемое коэффициентом мно-
жественной детерминации и оценивающее долю вариации параметров качества,
обусловливаемой технологическими факторами, влияние же отдельного факто-
ра может быть оценено с помощью коэффициента ds =Sj/S0.
Значения уровней технологических факторов *,., позволяющих техноло-
гически обеспечить регламентированные значения параметров качества Л,., оп-
ределяют путем решения системы уравнений (11.1). При этом значения хг
320
должны находиться внутри области варьирования факторов при обработке
пробных заготовок, т.е. чтобы -1 < л- < +1.
С вероятностью р = \~а допускаемые отклонения "П;* технологиче-
ски обеспечиваются, если
где SRt - доверительный интервал предсказанного значения параметра R,;
fy-tf/2);,v(«-i)~ квантиль распределения Стьюдента; DyRjj— дисперсия предска-
зываемого значения параметра качества Rt.
Ф)= ■ *,2
Х •' uN
Известна совокупность, но неизвестны уровни технологического обеспе-
чения функциональных параметров качества. Данная задача, так же, как и пре-
дыдущая, возникает тогда, когда нормирование параметров качества поверхно-
стных слоев производится либо на основе теоретических расчетов, либо по
прототипу. Также заранее известна совокупность параметров качества /?,, R2,
..., Я/, обусловливающих регламентированный эксплуатационный показатель
детали. Однако требуют уточнения уровни подлежащих технологическому
обеспечению параметров R},iSR]t, R2,±SR2,, ..., Rfl±SЛ,.,. Рассматривае-
мая задача является наиболее характерной для случаев, когда необходимо оп-
ределить уровни параметров равновесной шероховатости, которая, как извест-
но, формируется на поверхностях трущихся деталей в конце периода их прира-
ботки и не зависит от исходной. В этом случае можно предложить следующий
способ решения рассматриваемой задачи (также для принятого априори техно-
логического метода формирования параметров качества):
1) обработка пробной партии (или пробных поверхностей) заготовок по
плану полного или дробного факторного эксперимента с и - повторениями;
2) измерение совокупности параметров качества Я/, Яь .... Rj на обрабо-
танных поверхностях заготовок;
3) обработка партии из щ пробных заготовок в центре плана эксперимен-
та, когда технологические факторы принимают средние значения *,- = 0;
4) приработка пробных заготовок, изготовленных в центре плана экспе-
римента, на испытательном стенде в условиях, близких к эксплуатационным;
5) измерение регламентированной совокупности параметров качества на
приработанных поверхностях пробных заготовок и определение по результатам
измерений средних значений параметров качества Л,., R2., ..., Я,., и
(1-а)100%-ных доверительных параметров качества ±<Я?,„, ±6Я2,,..., ±ЗЯ^;
6) разработка с помощью ЭВМ математико-статистической модели при-
нятого способа обработки, определение на ее основе режимов, позволяющих
321
получить числовые значения параметров качества Л,., Я2,, ..., Я*, и возможно-
сти технологического обеспечения отклонений $?,,, SR2,, ..., <SR„ ;
7) обработка на установленных режимах основной партии заготовок.
Параметры шероховатости для повышения точности и производительно-
сти следует измерять с помощью контрольно-измерительных систем на базе
ЭВМ. В качестве оценки параметров шероховатости пробной поверхности за-
готовки, как показывают исследования, необходимо принимать числовые зна-
чения, осредненные по результатам измерений на 20-25 базовых длинах профи-
ля. Допускаемые пределы изменения параметров шероховатости SRit в данном
случае определяют из уравнения
где '(|-в/2>.(и-1) - критерий Стьюдента; яя„ - дисперсия, характеризующая вариа-
цию параметра шероховатости Rt. приработанных поверхностей пробных заго-
товок
<-:
£*
t*>
Значения технологических факторов х,,, обеспечивающих изготовление
деталей с требуемыми величинами параметров шероховатости определяют так
же, как и в предыдущей задаче.
Неизвестны и совокупность, и уровни технологического обеспечения
функциональных параметров качества. Рассматриваемая задача возникает в
тех условиях, когда необходимо обеспечить эксплуатационные показатели ори-
гинальных деталей, не имеющих аналогов, и когда теоретически затруднитель-
но определить совокупность параметров, обусловливающих их при в силу вза-
имных корреляционных связях между параметрами качества в конкретных ус-
ловиях эксплуатации важнейшими в функциональном отношении могут ока-
заться те или иные параметры. Совокупность таких параметров может быть оп-
ределена по результатам стендовых испытаний, максимально приближенных к
условиям эксплуатации и проводимых по плану активного (планируемого) или
пассивного (непланируемого) эксперимента.
Рассмотрим сначала случай, когда совокупность функциональных пара-
метров качества и уровни их технологического обеспечения определяются по
результатам пассивного эксперимента (для принятого способа обработки рабо-
чих поверхностей деталей):
1) обработка пробной партии заготовок (размером п) на режимах, вызы-
322
вающих изменчивость их параметров качества поверхностных слоев;
2) измерение на поверхностях заготовок всех параметров качества, кото-
рые могут оказывать влияние на регламентированный эксплуатационный пока-
затель детали /;
3) проведение испытаний на стендах (в условиях, близких к эксплуатаци-
онным) с определением в конце испытаний эксплуатационных показателей /„
каждой пробной заготовки;
4) разработка математико-статистической модели процесса испытаний и
определение на ее основе совокупности функциональных параметров качества
Ri, Rj, ..., Rit в наибольшей мере обусловливающих изменчивость показателя /,
а также определение уровней параметров качества R,», R2; ..., Д., подлежащих
технологическому обеспечению, исходя из регламентированных значений 1ф;
проверка возможности технологического обеспечения допускаемого отклоне-
ния ±81..
Простейшей математико-статистической моделью процесса испытаний
является линейная
/ = а0 + а,Л, + a2R2 +... + «Д.. (11.2)
Чтобы модель не оказалась громоздкой и малопригодной для практического
применения, число параметров качества, включенных в нее, не должно быть
большим, /5 5. Линейную модель (11.2) принимают в том случае, когда все
связи между /н Д являются линейными, о чем судят по значению коэффициен-
та парной корреляции (табл. 11.4), который статистически значим, если
Fin, > r(\-aiz}jt-2 ■ В противном случае следует преобразовать исходные данные,
например путем логарифмирования.
Уравнение (11.2) получают методами множественного регрессионного
анализа (метод всех возможных регрессий, метод исключения независимых пе-
ременных, метод включения независимых переменных, шаговый регрессион-
ный анализ). При большом числе независимых переменных (параметров каче-
ства Rj) данные методы не осуществимы без применения ЭВМ.
В практике, как показывают исследования, удовлетворительные резуль-
таты дает следующий упрощенный метод. Очевидно, что число параметров ка-
чества Rj, содержащееся в уравнении (11.2), должно быть, возможно, меньшим.
При этом в уравнение (11.2) должны входить параметры, которые наиболее
просто могут быть обеспечены метрологически. В этой связи вначале вычисля-
ют все возможные коэффициенты парной корреляции г„_, между эксплуатаци-
онным показателем и отдельными параметрами качества, а также между от-
дельными параметрами качества и оценивают их статистическую значимость.
Включаемые в уравнение (11.2) параметры качества Л, должны быть, с одной
стороны, наиболее тесно корреляционно связаны с эксплуатационным показа-
телем / и, с другой стороны, наименее тесно корреляционно связаны между со-
323
бой (лучше корреляционно не связаны вовсе). Анализируя таким образом кор
реляционные связи, можно выбрать несколько групп совокупностей параметров
качества и получить несколько регрессионных уравнений (11.2). Предпочтение
следует отдать тому из них, которое обусловливает наибольшую долю вариа-
ции эксплуатационного показателя. Это, как правило, уравнение регрессии, ко-
торому соответствует наибольший коэффициент множественной детерминации Л2.
Таблица 11.4
Исходные данные для построения математико-статистической модели процесса
эксплуатационных испытаний
Номер
пробной
заготовки
1
2
п
Наибольшее
значение
Наименьшее
значение
Среднее значе-
ние
Дисперсия
Среднее
квадратическое
отклонение
Коэффициент
вариации
Коэффициент
корреляции
Параметр качества поверхностного слоя
пробных заготовок
R,
R,2
■"/max
■K-Jmin
*,
*;
\
v*
r«,l
R2
R2,
R22
R2n
**2тах
R2min
R2
4
■4
V4
rv
Ri
Rn
Ra
K-imax
K-imin
R,
<
**.
V*,
V
*я
Rql
Rq2
Rqn
Kqmax
K-qmin
*,
^
4
\
4'
Эксплуатаци-
онный показа-
тель рабочей
поверхности
заготовки
//
h
In
imax
'mitt
1
*?
si
Vs,
-
Примечания: 1. Коэффициент вариации V^ =^/Л, и V, =s,/1. 2. Коэффици-
ент парной корреляции вычисляют по уравнению
:?24
Результаты дисперсионно!» анализа уравнений (11.1)
Таблица 11.5
Источник ва- ,
риации пока- Числ° сте
зателя
Регрессия,
обусловлен-
ная всеми
__ф^кторами
То же, фак-
тором R,
То же, фак-
тором R2
пеней сво-
боды
Сумма
квадратов
То же, фак-
тором Л,
Остаток
J
Средний
квадрат I ^-отношение
М„=^-
М^ = ^
М
f _ 2i
рег 2
F - М^,
''IT
м
F Р'-г
2 ~ sl~
Сумма
n-i-1
п-1
/*•-, рег,
F.=^L
Примечания. 1. Суммы квадратов вычисляют по следующим уравнениям:
S~ = aoZ fn+a<ZRUI„ +... + a,2X/„ -
^-2/.a-
I'.
'; Socm -S„ ~S ;
2. Вычисление 5" , S^ SpU[ | производится так же, как и
S^ = Sp^ , причем коэффициенты регрессии по мере ввода переменных Л,
в анализ необходимо каждый раз вычислять заново.
Влияние параметров качества Л, на эксплуатационный показатель / значи-
мо, и, следовательно, коэффициент регрессии а, значим, если (табл. 11.5)
pezi
•^„м(«)
Уравнение (11.2) значимо в целом, если
?
325
ост
Адекватность уравнений (11.2) проверить не удается.
Исходя из регламентированных значений /., по уравнению регрессии
(11.2) нетрудно определить совокупность уровней параметров качества й/», R2*.
..., /?,■•, подлежащих технологическому обеспечению.
Регламентированное отклонение эксплуатационного показателя 81, тех-
нологически обеспечивается, если
где D\J)~ дисперсия предсказываемого уравнением-(11.2) значения эксплуата-
ционного показателя, определяемая с учетом рассеивания при механической
обработке параметров качества поверхностного слоя заготовки Я,с дисперсией D(R)
Z>(/) = D(a0)+ D(a,XM(/?,)7 + ... + ^(аДм^,)]2 +
+ 2RtCOV (a0a,)+... + +2Ri_lCOV (я,. ,«,)+
+ D(ai)D(R,)+ ... + Z>(«,)D(*i) + D(RjM fa)? + 0")
+ ... + DMM(el)f.
Здесь £>fa<j), £>(а/) - дисперсии коэффициентов регрессионной модели;
Л/(д,), M{al) — соответственно математические ожидания параметров качества
и коэффициентов регрессии. Принимая во внимание, что £>(ai)= С^^я и
где C|V и C(j4)l- весовые коэффициенты Гаусса,
[Л/(Л,.)Г =Л,2 и [M(a,)f =a,2, выражение(11.3) можно компактно представить в
матричной форме:
D{l) = S2ocm{R'CR)+slcm{C0D)+ A'DA =
=*lm,....^i
I Cqo t-01
Г С
[C„ 0
0 C22
о о
. 0
. 0
D(R2)
[d(R,)\
++i
l
A
к.д2
(11.4)
"д(л.)"
Dfo)
_D&).
326
Дисперсии £>(/?,), входящие в уравнения (11.3) и (11.4), определяются по
результатам механической обработки пробной партии заготовок.
Уравнение (11.4) упрощается, если параметры качества, включенные в
регрессионную модель принятого способа обработки рабочих поверхностей де-
тали, не корродированы между собой:
D0) = Die,) + £ Ща, )Л,2 + £ Ща, )D(R,) + £ a?D(R,).
i t i
Рассмотрим случай, когда выявление совокупности параметров качества
поверхностного слоя деталей Rt, R2, ..., Л, проводится одновременно с опреде-
лением уровней технологических факторов:
1) обработка пробной партии заготовок по плану полного или дробного
факторного эксперимента (типа 2* или 2*"р с и повторениями);
2) измерение всех параметров качества поверхностного слоя пробных за-
готовок R/, R2, ..., Rj, ..., Rg, которые могут обусловливать вариацию их экс-
плуатационных показателей;
3) проведение стендовых испытаний пробных заготовок по плану экспе-
римента 2 или 2к'р (с и повторениями или без повторений и=1) в условиях, мак-
симально приближенных к эксплуатационным с определением их эксплуатаци-
онных показателей lNu в конце испытаний;
4) разработка математико-статистической модели процесса испытаний
l-f(Ri, R2, •■-, Я» •••, Rq) с помощью специализированной ЭВМ (встроенной в
комплекс «технологическое оборудование - испытательный стенд») и выявле-
ние на ее основе совокупности параметров качества R/, R2, ..., Rh в наибольшей
мере обусловливающих вариацию эксплуатационного показателя, и уровней
параметров качества Rj*f R2*> ..., /?/*, позволяющих технологически обеспечить
его регламентированное значение /.;
5) разработка с помощью ЭВМ математико-статистической модели про-
цесса механической обработки в виде зависимостей R,=f(xi, х2, ..., х/. ..., х0 и
определение на ее основе значений технологических факторов xt; х2\ ..., дг,-»,
позволяющих получить требуемые значения параметров Л,», а также определе-
ние фактических значений дисперсий параметров качества D(Rj>);
6) проверка возможности технологического обеспечения регламентиро-
ванных значений допускаемькотпслоненийзксплуатацис«ногогкжазателя ± 81,;
7) обработка на установленных технологических режимах основной пар-
тии заготовок.
Возможен также вариант технологического обеспечения регламентиро-
ванных уровней эксплуатационных показателей /. ± Я, на основе зависимо-
стей I—f(xi, х2, .... xj):
1) обработка пробной партии заготовок по плану полного или дробного
факторного эксперимента (типа 2* или 2к'р с и повторениями);
327
2) проведение стендовых испытаний пробных заготовок (по плану экспе-
римента 2* или 2к~р с и повторениями) в условиях, максимально приближенных
к эксплуатационным, с определением их эксплуатационных показателей fNu и в
конце испытаний;
3) разработка математико-статистической модели процесса испытаний в
виде рефессионной зависимости J=f(xi, x2, ..., Xj) с помощью ЭВМ (встроенной
в испытательный стенд) и выявление на ее основе совокупности технологиче-
ских факторов Xj, обусловливающих в наибольшей мере вариацию эксплуата-
ционного показателя, и уровней х,., позволяющих обеспечить требуемое значе-
ние эксплуатационного показателя /«и его допускаемых отклонений 51, ;
4) изготовление основной партии заготовок на установленных режимах.
Таблица 11.6
Дисперсионный анализ эксперимента 2* или 2 'р с и повторениями по испыта-
нию пробных заготовок (для показателя /)
Источник ва
риации пара-
метров качества
Факторы:
х2
Хк
Регрессия (т зна-
чимых факто-
ров из к)
Остаток
Число
степеней
Неадекватность
Воспроизво-
димость
Сумма
uN-m-1
Сумма
квадратов
S,
S2
^=£5,
N-m-1
N(u-1)
uN-I
Socm-So Spe?
Средний
квадрат
M2=S2
Mk=Sk
Mn
-^mi-
nt
Sat) ~ Socn Se
So
uN-m-l
F- отноше-
ние
F^Mjs]
F7 = Mjs)
p = £fi
лост
N~m-l
N(u-l)
/7 — °"
°* ~ si
Примечания: 1. N = 2* или N — 2 ~p - число опытов по обработке пробных за-
готовок. 2. Суммы квадратов вычисляются по следующим уравнениям:
*.=i
v-Av
lu
где ISu- наблюдаемое значение параметра качества Ri при повторении мопытаМ
328
Данный вариант требует обязательного проведения испытаний с повто-
рениями (и 2:2), что увеличивает их трудоемкость. Обязательным затем являет-
ся соблюдение технологической дисциплины при изготовлении основной пар-
тии заготовок. Зависимость 1=/(х/, х2, ..., xj представляют в виде
, f = C0+CiX1+C2X2+...+ CJXJ. (11.5)
Уравнение (11.5) должно содержать факторы, влияние которых на экс-
плуатационный показатель является значимым (на принятом уровне значимо-
сти а), быть в целом значимым и адекватным. Результаты испытаний пред-
ставляются аналогично табл. 11.5, а дисперсионного анализа уравнения (11.5) -
в виде табл. 11.6.
Значения уровней технологических факторов xJt, позволяющих обеспе-
чить требуемое значение 1Ф, определяют путем решения уравнения (11.5) мето-
дом подбора. Допускаемые отклонения технологически обеспечиваются, если
\+£(Xj.f
где D[Ij= L— s2, здесь Щ/)- дисперсия предсказываемого уравнением
(11.5) значения эксплуатационного показателя.
11.4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ
ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДЕТАЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ КОМПЛЕКСНЫХ
ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА
Задачи по технологическому обеспечению эксплуатационных показате-
лей деталей машин существенно упрощаются, если качество их поверхностных
слоев характеризовать комплексным параметром Q=f(Ri, R2, ■-, RJ. Связь меж-
ду эксплуатационным показателем / и комплексным параметром качества Q
может быть выражена уравнением
l=aa+aQ. (11.6)
Одним из преимуществ использования комплексного показателя Q является то,
что чаще всего удается проверить и адекватность уравнения (11.6), в этом слу-
чае в качестве повторений принимают близкие значения Q пробных заготовок
(табл. 11.7). Значения коэффициентов <я0 и а определяют по следующим урав-
нениям:
Za/.-Zal/./-
а ■=■
Saz-(saJ/"
329
где I ~£jn''n , Q ~ 2^QJn - средние значения эксплуатационного показа-
теля и комплексного параметра качества.
Исходя из регламентированного значения эксплуатационного показателя
/., нетрудно по уравнению (11.6) определить значение комплексного показателя
Q», подлежащего технологическому обеспечению.
Уровни технологических факторов х;«, дт?», .... *,-•, позволяющих получить
при механической обработке значение Q; находят из уравнения связи между
параметром качества и технологическими факторами
Q = К + V, + Ьгхг + ... + bjXj, (U.7)
коэффициенты которого определяют по результатам математико-
статистической обработки экспериментов типа 2 или 2 ~р. Допускаемые откло-
нения ol, технологически обеспечиваются, если
31.>я=1{1_а12).п„2Л[ЦГ),
где D[lj- дисперсия предсказываемого уравнением (11.6) среднего значения /.
Если уравнение (11.6) представить в виде /„ = I + o\Q„-Q), то дисперсию
£>(/) можно вычислить следующим образом:
D(fn)= D(l)+ D(a)D{Qn -Q)+ я(я)Мй. "«
+ Di0„-Q\M(a)f,
или, учитывая, что £>(/)=0> D{a)= s^lnt^-Qt
d(q„-ё)=d(q,\ M«)]=*2 * *2 =$pf.-'7i±te.-Qb
rl.-S^IS^X-S^IS^-slXn-iypI^lJ,
после несложных преобразований получим
2#)-
1
o(eIi^L(»-2)/t(/„-/7
[№h(Q.-Qfb
330
Дисперсионный анализ уравнения (11.6)
Таблица 11.7
Источник вариа-
ции эксплуатаци-
онного показателя
Регрессия
Остаток
Неадекватность
Воспроизводи-
мость
Число сте-
пеней сво-
боды
1
п-2
Сумма
квадратов
^>рег
"-Л-2
/е
Сумма
п-1
дад
Средний
квадрат
^рег &рег
s2 - Socm
ист «
п~2
*;Л=-
s0
«-/,-2
F- отно-
шение
F =
рег
м.
/е
/1=4
Примечание. Суммы квадратов вычисляются по следующим уравнениям:
степенью свободы,
Здесь к - число опытов, в которых имеется ик примерно одинаковых зна-
чений Q. Чаще всего ик =2, тогда Se =^(7, -I-j 12 с fe-k степенью свобо-
i
ды; SaA = S^ - Se.
Значения £>(£?„/определяют по уравнению
4&)=
bfW
иЛГ
-*1
используя результаты дисперсионного анализа уравнения (11.7), представлен-
ных в виде табл. 11.6.
331
11.5. ПРИМЕРЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
Требуется обеспечить заданное значение параметра шероховатости Ra на
цилиндрических деталях диаметром (/=48мм из стали 45 при наибольшей про-
изводительности механической обработки. Известно, что наибольшее влияние
на формирование шероховатости при точении оказывают подача S, скорость ре-
зания V, главный угол в плане <р и радиус округления вершины г резца. Прове-
дя механическую обработку пробной партии заготовок по плану 2*'\ (табл.
11.7), получим следующую зависимость между Ra и технологическими факторами
Ra = 2,187 + 0,3 54Х} - 0,843Jf2 + 0,23Х3 -1,11ЪХА}
или
Уровни
факторов
Ra = 5,349 + 9,4425 - 0,03F + 0,01 Up - 3,18 lr.
Таблица
План эксперимента 24"1 и значения параметра шероховатости
обработанных noBejjxjWgreKjipogjUjxзаготовок
1.8
Верхний (+)
Нижний()
Кодовые
обозначения
Номер
опыта
1
2
3
4
5
6
7
8
S, мм/об
0,15
0,075
X,
Факторы
V, мм/мин q?
150,8
95,0
—
4-
-
+
_
_
+
—
-
-
.-
4-
+
+
75
45
г, мм
0,8
х4
4-
4-
Параметр шеро-
ховатости R,, мкм
(среднее из
трех значений)
-
_
+
4-
_
+
4-
2,354; 2,427
3,360; 3,440
5,455; 5,632
1,717; 1,485
1,497; 1,653
1,744; 1,992
0,461; 0,466
0,682; 0,630
Как следует из данных табл. 11.7, путем варьирования уровней техноло-
гических факторов можно технологически обеспечить значения R, от 0,46 до
5,63 мкм. Следует убедиться, что заданное значение R, находится в данных
пределах. В противном случае следует сместить центр плана эксперимента или
уровни варьирования технологических факторов.
Уравнения для R. объясняют, как показывают результаты дисперсионно-
го анализа, 89,78% вариации параметра шероховатости R«. Их можно предста-
вить также в следующем виде:
to = 5869JS,wrwVM4rwe.
Рассмотрим пример обеспечения показателей износостойкости деталей.
Априори, например, известно, что величина износа трущейся поверхности де-
332
тали в период ее приработки характеризуете» параметрами, определяющими
распределение материала неровностей в верхних слоях (до уровня средней ли-
нии) и форму отдельных неровностей: Ra, v, tm и р. Однако применительно к
конкретным условиям ее эксплуатации (при скорости скольжения 0,9 м/с, дав-
лении 1 МПа и граничной смазке маслом "Индустриальное-12", материал дета-
ли — сталь 45, материал контрдетали - бронза Бр 05Ц5С5) неизвестны число-
вые значения параметров шероховатости, обеспечивающие минимальный износ
детали в период ее приработки.
На первом этапе производим обработку пробной партии заготовок по
плану 24"1 (табл. 11.9). Анализ параметров шероховатости обработанных по-
верхностей показал, что параметры равновесной шероховатости могут быть
обеспечены для принятых условий варьирования технологических факторов в
следующих пределах: R„=0,41...3,71; v = 1,21...1,96; /w=0,43...0,58; /7=25...147
мкм.
Таблица 11.9
Средние значения параметров шероховатости обработанных поверхностей
омей опыта I "
Номер опыта
1
Ra, мкм
L
J.67
2,46
3,71
1,54
1,33
11,87
0,41
Параметры
1,47
tm
1,42
i,64_
1,65
1,52
0,68
1,67
0,43
_0j5J
0,48~
0,57
0,56
0,47
1,96
-ML
0,58
25,0
36,0
25,8
147,0
_47,5
32,6"
50,4
73,6
Математико-статистическая обработка экспериментальных данных по-
зволила получить следующую систему уравнений, представляющих собой ма-
тематическую модель процесса механической обработки пробных заготовок:
Ra = 1,709-0,5 5Х, -0,719ЛГ4;
v = 1,58 + 0.067Х, + 0,162;Г4;
//п = 0,51 - 0,02Х2+0,03 7Х„; [ (1К8)
р = 54,85 -11.87Х, +14,9Х, + 24,77 Х4.
Уравнение для Ra, как показал дисперсионный анализ, объясняет 87,3 %
его вариации; уравнение для v - 73,3 % его вариации; уравнение для tm- 69,5%
его вариации; уравнение для р - 68,1 % его вариации.
Для определения числовых значений параметров Ra, v, tm и р произ-
водят обработку пробной заготовки в центре плана 2 ' (Xi=0; Х2=0; Хз=0;
Х4=0), которую подвергают приработке на испытательной машине в условиях,
максимально приближенных к эксплуатационным. Момент окончания прира-
ботки фиксируют, например, по стабилизации момента трения. Приработанную
333
поверхность профилографируют и определяют параметры равновесной шеро-
ховатости: Ra =0,43 мкм; v= 1,77; tm=0,52; р=90 мкм.
Решая систему уравнений (11.8), получим следующие значения техноло-
гических факторов, обеспечивающих на обрабатываемых поверхностях пара-
метры шероховатости, равные по числовым значениям параметрам равновесной
шероховатости: №=-0,25; Х2=\,\55; JG=0,672; ^/=0,895).
Рассмотрим пример минимизации величины начального износа деталей в
период приработки.
Так же, как и в предыдущем случае сначала производим в соответствии с
принятым планом (например, планом дробного факторного эксперимента 24"1)
обработку пробных заготовок. На обработанных поверхностях заготовок изме-
ряют параметры шероховатости, обусловливающие их износостойкость:
Ra, Rp, Rmax, tm, Sm и р (табл. 11.9). Все пробные заготовки подвергают испы-
таниям на изнашивание в условиях, максимально приближенных к эксплуата-
ционным. Приработанные поверхности (момент окончания приработки фикси-
руют по стабилизации момента трения) профилографируют в нескольких сече-
ниях относительно поверхностей, не испытываемых на изнашивание. Получен-
ные таким образом профили представляют в дискретной форме, в каждом сече-
нии определяют величины износа, которые затем осредняют.
Методами множественного регрессионного анализа рассчитывают зави-
симость между величинами начального износа и и поверхностей трения и па-
раметрами шероховатости обработанных поверхностей деталей, которая пред-
ставляет собой математическую модель процесса приработки:
и = 4,826Да0''V'15^ V-18- (11.9)
Уравнение (11.19) объясняет 82 % вариации показателя и, оно включает
параметры шероховатости, в наибольшей мере обусловливающие величину на-
чального износа поверхностей деталей после механической обработки. Таким
образом, выявлена неизвестная априори совокупность параметров шероховато-
сти, влияющих на рассматриваемый показатель износостойкости деталей.
Таблица 11.10
Средние значения параметров шероховатости обработанных поверхностей
334
Числовые значения параметров шероховатости Ra, v, tm и р, обеспечи-
вающих достижение минимальной величины и, могут быть определены мето-
дами поисковой многопараметрической оптимизации. Особенностью процесса
оптимизации в рассматриваемом случае является проверка на каждом шаге по-
иска возможности совместного решения уравнений.
Ra = 1,709 - 0,55Х2 - 0,719Х,;
v =l,58 + 0,067X3-f 0,162Х4;
tm= 0,51-0,02Х2 + 0,03 IX,; [ (11.10)
р = 54,85-11,87 ЛГ, + 14,9Х3 +24,77 ЛГ4.
Поиск оптимизационного вектора ведут из точки четырехмерного фак-
торного гиперпространства с координатами Ra = \ мкм; V — 1,58; />и =0,51 и
р = 54,8 мкм. Как показывают результаты оптимизации, числовые значения па-
раметров шероховатости, обеспечивающие минимальную величину и, Ла=0,44
мкм; v=I,74; tm =0,53 и /7=92 мкм. Данные параметры шероховатости обес-
печиваются на следующих режимах механической обработки: 5Ч),077 мм/об и
Р=149,2 м/мин, при геометрических параметрах инструмента <р=60° и т=0,82
мм.
11.6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ МЕТОД
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА
ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ
ПОКАЗАТЕЛЕЙ СОЕДИНЕНИЙ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
В соответствии с современными представлениями о влиянии параметров
качества поверхностного слоя деталей на их эксплуатационные свойства необ-
ходимо технологически обеспечивать следующую совокупность параметров:
М, W,R,Н,о,8 и г, где М, WmR- соответственно показатели макрогеомет-
рии, волнистости и шероховатости обработанной поверхности; Н,ст,д и г—
соответственно показатели, характеризующие упрочнение, напряженность, фи-
зическое и химико-физическое состояние поверхностного слоя.
Если качество поверхностного слоя детали узла трения оценивать ком-
плексным параметром Q = f(M, W, R, H, a, S, т), то для конкретного узла тре-
ния (определенные конструкция и условия функционирования) эксплуатацион-
ным показателем будет / = /(Q>0>)> где Qt и Q2 - соответственно комплекс-
ные параметры качества поверхностного слоя контактирующих деталей. В
большинстве случаев функция является линейной
I = a0+a&+a2Q2,
где а0, а,, а2 - коэффициенты
335
Тогда для дисперсии £>(/), характеризующей рассеивание эксплуатаци-
онных показателей относительно их средних значений, будем иметь:
D{I)= D(a0)+ D{a,)D{Q,)+a2,D{Q,)+ $D(a)+
+ D{a2)D(Q2)+a22D(Q1)+Q12D(a1).
где 0(аЛ D(at)t D{a2)- дисперсии коэффициентов «0,а,,я2, £>(£>,), D{Q2)~
дисперсии комплексных параметров качества поверхностного слоя контакти-
рующих деталей; Qi, Q2 - значения параметров качества, при которых обеспе-
чивается заданное значение /.
При известном значении D(l) P %-ные доверительные интервалы ±А/
для среднего значение / равны
где Кр - коэффициент, зависящий от закона распределения эксплуатационного
показателя /.
Комплексные показатели качества поверхностного слоя Qi и Q2 форми-
руются в ходе выполнения конкретных технологических маршрутов обработки
контактирующих поверхностей деталей. Системно-структурная модель такого
технологического маршрута, включающая две технологические операции (на-
пример, упрочняющую и отделочную), представлена на рис. 11.5.
Для конкретных методов обработки и
условий их осуществления (материал заго-
товки, режимы обработки, характеристики
инструмента, смазывающе-охлаждающая
жидкость и окружающая среда) выходные
параметры технологических операций {у,}
и {у2}> характеризующие свойства обрабо-
танных поверхностей заготовок представ-
лены ниже:
Ы = /гЫАеЛР{еЛ
где Vе,}, {х2}~ входные параметры техноло-
гических систем; Р{еи), f\en) - свойства
инструментов; Р{еп), Я(еи) свойства заготовок.
Очевидно, что комплексный пара-
метр качества Q (Q/ или Q2) формируется с
учетом влияния технологической наследст-
венности. Исходные и промежуточные
свойства заготовки Р{е1г) и Ден) могут,
как известно, наследоваться или подав-
ляться.
Рис. 11.5. Системно-структурная
модель процесса обработки,
включающего две операция: 1-
плоскость упрочняющей обработ-
ки; 2- плоскость отделочной об-
работки; en, e2i - инструмент; е,2,
е22- заготовка; ем, е2з- смазы-
вающе-охлаждающая жидкость;
ей, еи~ окружающая среда
336
Как показывает опыт, связи между параметрами качества поверхностного
слбяй технологическими факторами чаще всего оказываются линейными, т.е.
в) ^ьа+ь„х1,+Ьпхп + ...+Ь1!хи + ...+Ьыхы, ;'";.,.
й ■= b™ + ^>2i + Ьпхп + ...+ bvx2J + ... + b2mx2m,
где хи, x,j- технологические факторы, к которым относятся входные парамет-
ры' \Xj и' параметры, характеризующие свойства инструмента и заготовки; п, т
соответствуют числу технологических факторов, под влиянием которых фор-
мируются параметры качества Q, и Q2.
Для выявления зависимостей для /, Qx и Q, может быть применен экспе-
риментально-статистический метод, базирующийся на множественном регрес-
сионном анализе экспериментальных данных. При этом для выявления зависи-
мостей для Qi и Q2 может быть использован более простой метод планирования
экспериментальных исследований, когда технологические факторы х рассмат-
риваются на двух уровнях, верхнем (х= +1) и нижнем (х= -1). В этом случае
»<й.)-£*♦*')
где sg - дисперсия воспроизводимости параметра Q; р - расстояние от центра
плана эксперимента до точки области варьирования факторов, в которой обес-
печивается заданное значение Q, \р? =]£х£ npl =ХХ2, ; "- число параллель-
ных опытов в плановых экспериментах; N— число опытов планового экспери-
мента, например, полного факторного, когда Nx=2r и N2=2\ где/*, q- соответ-
ственно число принятых в эксперименте факторов. В общем случае п < р и
т <q.
На основе изложенного можно рекомендовать следующий подход к тех-
нологическому обеспечению эксплуатационных показателей соединений дета-
лей машин.
1. Выбор технологических маршрутов обработки рабочих поверхностей
контактирующих деталей соединений на основе имеющегося опыта, при этом
принимаются во внимание технологические возможности по обеспечению экс-
плуатационного показателя соединений в пределах, покрывающих его заданное
значение.
2. Проведение для каждого принятого технологического маршрута экспе-
риментальных исследований по изготовлению опытных заготовок на основе,
например, ортогональных планов 2к или 2кг.
3. Оценка параметров качества поверхностного слоя обработанных по-
верхностей заготовок: М, W ,R,H,o,8 иг. Если выражения для этих показа-
337
тслей качества заранее неизвестны, можно на данном этапе п оценивать эле-
ментарные параметры качества: Мтах - наибольшая величина макроотделений;
Мтах и Ws- соответственно наибольшая величина и шаг волнистости; Ra, Rp или
Rmax высотные параметры шероховатости: среднее арифметическое отклонение
(высота наибольшего выступа и максимальная высота неровностей); Sm, Sr - шаг
неровностей по средней линии и радиус округления их вершин; tm и У- отно-
сительная опорная длина профиля на уровне средней линии и параметр, харак-
теризующий кривизну начального участка опорной кривой профиля; HV, h -
соответственно микротвердость приповерхностного слоя и глубина упрочне-
ния. Таким образом, на данном этапе надлежит контролировать по крайней ме-
ре 12 элементарных показателей качества. Необходимость контроля такого
большого числа параметров обусловлена тем, что, как правило, заранее неиз-
вестна та совокупность параметров качества, которая в наибольшей мере будет
обусловливать эксплуатационный показатель рассматриваемой пары трения.
4. Формирование из числа опытных деталей партии опытных соедине-
ний.
5. Проведение для каждого опытного соединения эксплуатационных ис-
пытаний в условиях, максимально приближенных к реальным, и оценка для
каждого соединения эксплуатационного показателя /.
6. Выявление на основе методов множественного регрессионного анализа
совокупности элементарных параметров качества поверхностного слоя, в наи-
большей мере влияющих на эксплуатационный показатель /.
I = a0+anRu+ a12Rn + ...+ auRu + ...+ а„Д„ +
+ a2lRv + anR22 + ...+ a2JR2J + ...+ a2mR2m,
где Ru, R2j — элементарные показатели качества поверхностного слоя деталей
опытных соединений.
Формирование комплексных показателей качества Q/ и Q2:
Qx = auRu + anRi2 +... + auRu + ...+ainRx„;
Ql = «21Л21 + «22Я22 + • • • + aijK, + • ■ • + OC2mR2m,
проведение повторного регрессионного анализа с целью выявления зависимо-
сти для /, определение коэффициентов e^OpOj» значений дисперсий
D(a0\ £>(ai) и ^Л°2/» а также значений показателей качества Qi и Q2, соответ-
ствующих заданному значению эксплуатационного показателя /. На данном
этапе следует проверить, находится ли заданное значение / среди значений экс-
плуатационных показателей, соответствующих опытным узлам трения. В про-
тивном случае предыдущие этапы следует повторить с внесением необходимых
изменений по принятым методам обработки, рассматриваемым технологиче-
ским факторам и уровням их варьирования.
7. Выявление известными статистическими методами зависимостей меж-
ду Qi, Q2 и технологическими факторами хи и x2j. Определение коэффициент
338
тов bl0,bu, ...,bln и b20, уровней факторов xn,xi2,..., xlrl и x2l, x22,..., x2nl,
обеспечивающих требуемые значения парамефов качества Q/ и Q2 и эксплуа-
тационного показателя /, а также определения значений дисперсий D(Q}) и
£462 )■ Следует принимать такие уровни технологических факторов, которым
бы соответствовали минимальные дисперсии D\Qi) и D(Q2).
8. Оценка возможности технологической обеспечения допускаемых от-
клонений [л/] эксплуатационных показателей /, для чего следует вычислить
значение дисперсии £>(/) и Р %-ные, например 95%-ные доверительные интер-
валы А/. Если [A/J > А/ , задача технологического обеспечения эксплуатаци-
онных свойств рассматриваемого соединения решена. Если [A/J $ А/ , следует
возвратиться к этапу 7 и изыскать пути уменьшения дисперсий -D[Q}) и D[Q2))
а затем, если это не приведет к решению поставленной задачи, к этапам 2 и 1.
Заданное отклонение |Д/| индивидуального сопряжения технологически
обеспечивается, если
/ [A/] V
\1(1-а/2)-М-2 )
-ADA
Dil)~r~(l-Q'CQ + C0D)
с
,._ '-'ост/
uN-2
где t(i-a/2},uN-2- квантиль Стьюдента, соответствующий принятому уровню зна-
чимости а и числу степеней свободы ыА/г.1 (обычно принимают а = 0,05),
A'DA = [a„a2)
&CQ = [iQ„Q2]
W&)J
C„
С С
c„ с,
Здесь Свд-С,.
L 20 ^-21 ^'22
- весовые коэффициенты Гаусса,
" 1
е.
.а
С0£> =
'с»
о
о
/На).
q- критерий функциональной значимости зависимости между I и Qt, Q2; SKml,
SBI - соответственно остаточная и общая сумма квадратов, определяемые по ре-
зультатам дисперсионного анализа уравнения связи между /и Q,, Q2.
9. Изготовление основной партии деталей с контролем параметров их ка-
чества Qi и Q2, формирование основной партии соединений, проведение выбо-
рочных испытаний соединений с контролем их эксплуатационного показателя
339
/. Корректирование по результатам выборочных испытаний значений Qi и Q2 и
внесение при необходимости изменений в конструкторскую и технологическую
документацию.
Рассматриваемый экспериментально-статистический метод технологиче-
ского обеспечения эксплуатационных показателей соединений деталей машин
является довольно трудоемким, требует широкого применения электронно-
вычислительной техники и экономически оправдан, очевидно, для ответствен-
ных соединений, определяющих работоспособность машины в целом. Услож-
няется при этом и технологический процесс изготовления деталей: необходимо
контролировать в ходе технологического процесса обеспечение не только чи-
словых значений комплексных параметров качества Qi и Q2, но и их дисперсий
D\Q\) и Mfiz)> что требует применения автоматизированных систем контро-
ля. Необходима и специальная подготовка инженерно-технического персонала,
связанного с разработкой технологических процессов изготовления и непо-
средственно с изготовлением узлов трения машин.
Натурные испытания, проводимые на этапах 5 и 2, могут быть заменены
статистическими испытаниями на имитационных моделях процессов контакт-
ного взаимодействия и деталей и механической обработки их рабочих поверх-
ностей.
340
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОЦРОСЫ К ГЛАВЕ 11
1. В чем суть задач конструктора и технолога по обеспечению качества и
износостойкости деталей узлов трения?
2. В чем сущность системного подхода к технологическому обеспечению
качества поверхности деталей?
З.Как представляют технологические методы обработки в виде системы?
4. В чем суть одноступенчатого решения задачи обеспечения эксплуата-
ционных свойств деталей и их соединений?
5.Какие задачи возникают при технологическом обеспечении качества и
износостойкости деталей и каковы пути их решения?
6. Каков общий подход к обеспечению эксплуатационных свойств дета-
лей с помощью комплексных параметров качества?
7. В чем суть экспериментально-статистического метода к обеспечению
эксплуатационных показателей соединений деталей машин?
341
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ван Флек Л. Теоретическое и прикладное материаловедение / Пер. с
англ. -М.: Атомиздат, 1975. - 472 с.
2. Воинов Б.А. Износостойкие сплавы и покрытия. - М: Машиностроение
1980.-120 с.
3. Гаркунов Д.Н. Триботехника.- М.: Машиностроение, 1985. - 424 с.
4. Гаркунов Д.Н. Триботехника (износ и безопасность): Учебник. - М.:
Изд-во МСХА, 2001. - 616 с.
5. Гаркунов Д.Н. Триботехника (производство изготовления и экс-
плуатации машин): Учебник. - М.: Изд-во МСХА, 2002. - 632 с.
6. Горленко О.А., Суслов Д.А., Колмогорцев Д.Б. Контроль, испытание
и диагностика узлов трения: Учеб. пособие. - Брянск: Изд-во БГТУ, 2005.
107 с.
7. Гуляев А.П. Металловедение: Учебник. - М.: Металлургия, 1986. -
542 с.
8. Журавлев В.Н., Николаева О.И. Машиностроительные стали. Справ. -
М.: Машиностроение, 1981.-391 с.
| 9. Конструкционные материалы: Справ. / Б.Н. Арзамасов, В.А. Брострем.
Н.А. Буше и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. - М.: Машиностроение, 1990,
- 688 с.
10. Лавринович М.Ф., Шустерняк М.М. Анализ долговечности деталей
автомобилей семейства МАЗ и технологические методы ее повышения. - М.:
НИИТАВТОПРОМ, 1981. - 56 с.
11. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник. - М.: Ма-
шиностроение, 1990. - 528 с.
12. Любарский И.М., Палатник И.С. Металлофизика трения. - М.: Метал-
лургия, 1976. -176 с.
13. Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин, А.В. Волосникова, С.А.
Вяткин и др. - М.: Машиностроение, 1989. - 640 с.
14. Материаловедение: Учебник / Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г. Ф. Ко-
солапое и др. - М.: Машиностроение, 1986. - 383 с.
15. Материаловедение и технология металлов: Учебник / Г.П. Фетисов.
М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др. - М.: Высшая школа, 2001. - 640 с.
16. Новиков И.И. Дефекты кристаллического строения металлов. - М.:
Металлургия, 1975. - 208 с.
17. Основы трибологии (трение, износ, смазка): Учебник для втузов - 2-е
изд., перер. и доп. / А.В. Чичинадзе, Э.Д. Браун, Н.А. Буше и др.; Под общ. ред.
А.В. Чичинадзе. - М.: Машиностроение, 2001. - 644 с.
18. Проектирование технологических процессов в машиностроении:
Учеб. пособие / И.П. Филонов, Г.Я. Беляев, Л.М. Кожуро и др. - Минск: УП
"Технопроект", 2003. - 910 с.
342
19. Рыжов Э.В. Технологические методы повышения износостойко-
сти деталей машин. - Киев: Наукова думка, 1984. - 272 с.
20. Сильман Г.И. Материаловедение: Учеб. пособие. - Брянск: Изд-во
БГИТЛ, 2006. -316 с.
21. Сорокин Г.М. Трибология сталей и сплавов: Учебник для вузов. -
М.: Изд-во "Недра", 2000. - 317 с.
22. Справочник по триботехнике: В 3 т. / Под общ ред. М. Хебды, А.В.
Чичинадзе.-М.: Машиностроение, 1989.
23. Суслов А.Г., Горленко О.А. Экспериментально-статистический
метод обеспечения качества поверхности деталей машин. - М.: Машино-
строение, 2003. - 303 с.
24. Суслов А.Г, Дальский A.M. Научные основы технологии машино-
строения. -М.: Машиностроение, 2002. - 694 с.
.25. Технологические процессы механической и физико-технологи-
ческой обработки в авиадвигателесгроении: Учеб. пособие / В.Ф. Безъязыч-
ный, М.Д. Кузьменко, А.В. Лобенев и др. - М.: Машиностроение, 2001.
290 с.
26. Технологическое обеспечение и повышение эксплуатационных
свойств деталей и их соединений / А.Г. Суслов, В.П. Федоров, О.А. Гор-
ленко и др. - М.: Машиностроение, 2006. - 448 с.
27. Федорченко И.М., Пугина Л.И. Композиционные спеченные анти-
фрикционные материалы. - Киев: Наук, думка, 1980. - 404 с.
28. Холодкова А.Г. Общая технология машиностроения: Учеб. посо-
бие. - М.: Издательский центр "Академия", 2005. - 224 с.
29. Чугун. Справ, изд. / Под ред. А.Д. Шермана и А.А. Жукова. - М.:
Металлургия, 1991. - 576 с.
343
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 3
ЧАСТЬ I. ОСНОВЫ ОБЩЕГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ 6
Глава 1. Строецие> кристаллизация и деформация материалов... 6
1.1. КлассифИКация
материалов о
1.2. Энергетическое состояние материалов 7
1.3. Химические связи в материалах 9
1.4. Кристаллические и аморфные фазы в материалах 13
1.5. Строение кристаллических фаз (кристаллическая структура).... 14
1.6. Дефекты кристаллического строения 19
1.7. Кристаллизация материалов 24
1.8. Деформация твердых тел 30
1.9. Возврат и реКрИСТаллизация 40
Контрольные вопросы к главе 1 44
Глава 2. Основы теории сплавов 45
2.1. Сплавы и Их фазовый состав 45
2.2. Диаграммы состояния сплавов 49
2.3. Связь Мезкду свойствами сплавов и типом диаграммы
состояния.... 60
2.4. Диаграммы состояния железо-углерод 65
Контрольные опросы к главе 2 77
ЧАСТЬ II. техническая И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ
ОБРАБОТКА СТАЛИ 78
Глава 3. ТеорИя термической обработки стали 78
3.1. Критические точки в железоуглеродистых сплавах 78
3.2. Превргццения в еталЯх при нагревании 80
3.3. Превращения ауСТенита при охлаждении 84
3.4. Превращения в закаленной стали при отпуске 97
Контрольные вопросы к главе 3 102
344
Глава 4. Технология термической обработки стали 103
4.1. Отжиг I рода (основанный не на фазовых превращениях) 103
4.2 Отжиг II рода (с фазовыми превращениями) 104
4.3 Нормализация (нормалшационный отжиг) 107
4.4. Закалкастали 107
4.5. Закаливаемость и прокаливаемость стали 113
4.6. Отпуск закаленной стали 118
4.7. Термомеханическая обработка стали (ТМО) 119
4.8. Дефекты, возникающие при термической обработке стали 120
Контрольные вопросы к главе 4 122
Глава 5. Способы поверхностной термической и химико-
термической обработки стали 123
5.1. Роль поверхностного слоя 123
5.2. Поверхностная закалка 124
5.3. Химико-термическая обработка (ХТО) стали 128
5.3.1. Основные закономерности химико-термической обработки 128
5.3.2. Цементация стали 130
5.3.3. Азотирование стали 133
5.3.4. Цианирование (нитроцементация) стали 137
5.3.5. Силицирование 138
5.3.6. Диффузионная металлизация 138
Контрольные вопросы к главе 5 140
ЧАСТЬ III. МАТЕРИАЛЫ ОБЩЕГО И ТРИБОТЕХНИЧЕСКО-
ГО НАЗНАЧЕНИЯ 141
Глава 6. Стали и сплавы общего назначения 141
6.1. Углеродистые стали 141
6.1.1. Влияние химического состава стали 141
6.1.2. Стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-94) 142
6.1.3. Углеродистые качественные стали (ГОСТ 1050-88) 143
6.2. Легированные конструкционные стали общего назначения 144
6.2.1. Легирование сталей 144
6.2.2. Стали для деталей с повышенной твёрдостью поверхности
при вязкой сердцевине 146
345
6.2.3. Стали с высокой конструктивной прочностью по всему се-
чению изделия 148
6.2.4. Литейные стали 149
6.2.5. Рессорно-пружинные стали общего назначения 150
6.3. Инструментальные стали 151
6.3.1. Классификация и маркировка инструментальных сталей 151
6.3.2. Нетеплостойкие стали для режущего инструмента 152
6.3.3. Быстрорежущие стали 153
6.3.4. Стали для измерительного инструмента 157
6.3.5. Стали для штампового инструмента 157
6.4. Чугуны 158
6.4.1. Классификация чугунов 158
6.4.2. Серые чугуны с пластинчатым графитом (СЧ) 159
6.4.3. Высокопрочные чугуны с шаровидным графитом (ВЧШГ).. 161
6.4.4. Чугуны с вермикулярным графитом (ЧВГ) 164
6.4.5. Ковкие чугуны (КЧ) 164
Контрольные вопросы к главе 6 167
Глава 7. Материалы триботехнического назначения 168
7.1. Износостойкие материалы высокой твердости 169
7.1.1. Обеспечение износостойкости сталей 170
7.1.2. Износостойкие белые чугуны (ИБЧ) 173
7.1.3. Половинчатые чугуны (ПЧ) 178
7.1.4. Металлокерамические твердые сплавы 179
7.1.5. Сверхтвердые материалы, керамики и ситаллы 183
7.2. Антифрикционные материалы 185
7.2.1. Критерии выбора материалов и некоторые правила их со-
четания в парах трения 187
7.2.2. Графитизированные стали 190
7.2.3. Антифрикционные чугуны (АЧ) 191
7.2.4. Сплавы на основе меди 193
7.2.5. Легкоплавкие антифрикционные (подшипниковые) сплавы 196
7.2.6. Алюминиевые антифрикционные сплавы 199
7.2.7. Порошковые антифрикционные материалы 200
7.2.8. Антифрикционные неметаллические материалы 202
7.2.9. Фрикционные материалы 206
Контрольные вопросы к главе 7 209
J46
Глава 8. Композиционные и наноструктурные материалы 211
8.1. Композиционные материалы 211
8.1.1. Искусственные композиты с металлической матрицей 212
8.1.2. Искусственные композиты с неметаллической матрицей 213
8.1.3. Естественные композиты 215
8.2. Наноструктурные материалы 217
8.2.1. Получение наноматериалов (нанотехнологии) 218
8.2.2. Наноструктурные элементы 219
8.2.3. Некоторые наноматериалы и их применение 221
8.2.4. Некоторые наноустройства (конструкции
из наноматериалов) 223
Контрольные вопросы к главе 8 224
ЧАСТЫУ. ТРИБОТЕХНОЛОГИЯ 225
Глава 9. Качество и износостойкость узлов трения 225
9.1. Свойства материалов деталей узлов трения 225
9.2. Точность деталей узлов трения 236
9.3. Качество поверхностного слоя деталей узлов трения 240
9.4. Точность соединений деталей узлов трения 250
Контрольные вопросы к главе 9 254
Глава 10. Прогрессивные триботехнологии 255
10.1. Обработка поверхностей деталей лезвийными инструментами
из сверхтвердых материалов 255
10.2. Современные методы абразивной обработки 257
10.3. Методы поверхностного пластического деформирования 266
10-4. Технологическое обеспечение износостойкости плоских по-
верхностей трения 272
10.5. Физико-химические методы обработки 277
10.6. Технологические методы обработки с нанесением материала.. 286
10.7. Экономические и экологические аспекты повышения износо-
стойкости деталей узлов трения 296
Контрольные вопросы к главе 10 299
.147
Глава 11. Выбор способа обработки поверхностей трепня 300
11.1. Консгрукторско-технологическое обеспечение качества по-
верхностного слоя деталей узлов трения :.,.......... ,. 301
11.2. Особенности современного методологического подхода к
технологическому обеспечению качества поверхности деталей машин 3 10
11.3. Метод пробных заготовок в обеспечении качества поверхно-
стного слоя деталей узлов трения 316
I 1.4. 1 ехнологическое обеспечение эксплуатационных показа гелей
деталей с помощью комплексных параметров качества 328
1 1.5. 11римеры технологического обеспечения параметров качества
поверхностного слоя ;.; 33 I
1 1.6. Экспериментально-статистический метод технологического
обеспечения качества поверхностного слоя и эксплуатационных пока-
зателей соединений деталей машин : .-. 334
Контрольные вопросы к главе 11 340
Список литературы
341
Учебное издание
8
Григорий Ильич Сильман
Олег Александрович Горленко
ч/
ТРИБОТЕХНИЧЕСКОЕ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
И ТРИБОТЕХНОЛОГИЯ
Редактор издательства
Компьютерный набор
Т.И. Королёва
А.С. Проскурин
Подписано в печать с оригинал-макета 00.00.00. Формат 60x84 1/16
Офсетная печать. Бумага офсетная. Печ. л. 20,22.
Уч. ~ изд. л. 20,22. Тираж 250 экз. Заказ 72
Р
Издательство «Машиностроение-1»
107076, г. Москва, Стромынский пер., 4
Лаборатория оперативной полиграфии БГТУ
241035, г. Брянск, ул. Институтская, д. 16