Отжиг сталей как вид термической обработки. Классификация видов отжига, особенности их реализации и назначение

Свинцово-оловянистые сплавы

К свинцово-оловянистым сплавам относятся Б16, БМ, БТ и Б6. Для повышения пластичности и прирабатываемости в подшипниковые сплавы на основе свинца, кроме сурьмы, вводят олово ( до 16 %). Сплавы Б16 по содержанию компонентов относятся к четвертной системе Pb-Sb-Sn-Cu. Структура сплава показана на рисунке 12.2. В этом сплаве мягкой составляющей является эвтектика a+β, твердой составляющей являются  b (SnSb) – фазы (белые, крупные включения) и частицы химических соединений Cu₃Sn и Cu₂Sb (мелкие игольчатые образования). В отличие от баббита БС, где основой твердой составляющей является хрупкая сурьма, баббит Б16 менее склонен к выкрашиванию и износу.,

В настоящее время наибольшее распространение получили многослойные подшипники, в состав которых входят многие из рассмотренных выше сплавов. Сплавы или чистые металлы в них  уложены слоями, каждый из которых  имеет определенное назначение. Четырехслойный металлический подшипник  состоит  из стального основания, на котором  находится слой (250 мкм) свинцовистой бронзы (БрСЗ0). Этот слой покрыт тонким слоем ( — 10 мкм) никеля или латуни. Слой никеля служит барьером, не допускающим диффузию олова из верхнего слоя в свинец бронзы.

1 — сплав свинца и  олова; 2 — никель; 3 — свинцовистая бронза; 4 — сталь Рисунок 12.3 - Схема строения  четырехслойного металлического подшипника скольжения

На него нанесен слой сплава Pb —Sn толщиной 25 мкм. Стальная основа обеспечивает прочность и жесткость подшипника; верхний мягкий слой улучшает прирабатываемость. Когда он износится, рабочим слоем становится свинцовистая бронза. Слой бронзы, имеющей невысокую твердость, также обеспечивает хорошее прилегание шейки вала, высокую теплопроводность и сопротивление усталости.

 

Неметаллические материалы. Для изготовления подшипников скольжения применяют пластмассы — термореактивные и термопластичные (полимеры) более десяти видов. Из термореактивных пластмасс используют текстолит. Из него изготовляют подшипники прокатных станов, гидравлических машин, гребных винтов. Такие подшипники допускают тяжелые режимы работы, смазываются водой, которая хорошо их охлаждает и размягчает поверхностный слой. Из полимеров наиболее широко применяют полиамиды: ПС 10, анид, капрон (ГОСТ 10589-73) и особенно фторопласт (Ф4, Ф40). Достоинство полимеров — низкий коэффициент трения, высокая износостойкость и коррозионная стойкость.

Исключительно высокими антифрикционными свойствами обладает фторопласт, коэффициент  трения которого без смазочного материала  по стали составляет 0,04—0,06. Однако фторопласт «течет» под нагрузкой  и, как все полимеры, плохо отводит  теплоту. Он может применяться лишь при ограниченных нагрузках и  скоростях. Высокие антифрикционные  свойства фторопласта реализуют  в комбинации с другими материалами, используя его в виде тонких пленок либо как наполнитель.

Комбинированные материалы. Такие материалы состоят из нескольких металлов и неметаллов, имеющих благоприятные для работы подшипника свойства. Существуют подшипники двух типов.

1. Самосмазывающиеся    подшипники получают методом  порошковой металлургии  из  материалов  различной  комбинации: железо-графит, железо-медь (2-3 %)-графит     или     бронза-графит. Графит вводят в количестве 1-4 %. После   спекания   в   материале   сохраняют 15-35 % пор, которые затем заполняют маслом.   Масло   и   графит   смазывают трущиеся поверхности. При увеличении трения под влиянием нагрева поры раскрываются  полнее,  и смазочный материал   поступает   обильнее.  Тем   самым осуществляется автоматическое регулирование подачи  смазочного  материала (его запас находится в специальной камере). Такие подшипники работают при небольших   скоростях   скольжения   (до 3   м/с),   отсутствии   ударных   нагрузок и устанавливаются в труднодоступных для смазки местах.

2. Металлофторопластовые   подшипники изготовляют из металлофторопластовой  ленты (МФПл) в виде свертных втулок    методом    точной    штамповки. Лента состоит из  четырех слоев (рисунок 12.4). Первый слой (приработочный) выполнен   из   фторопласта,   наполненного дисульфидом молибдена (25 % по  массе).

1 – фторопласт с дисульфидом  молибдена; 2 – бронза в слое  фторопласта; 3 – медь; 4 – сталь Рисунок 12.4 – Схема строения металлофторопластовой ленты

Толщина слоя 0,01-0,05 мм. В тех  случаях, когда допустимая величина линейного износа достаточно велика, первый слой утолщают до 0,1-0.2 мм. Второй слой (0,3 мм)-бронзофторопластовый. Он представляет собой слой пористой бронзы БрО10Ц2, полученный спеканием частиц порошка сферической формы. Поры в этом слое заполнены смесью фторопласта с 20 % Рb (или фторопласта и дисульфида молибдена).

Третий слой (0,1 мм) образован  медью. Его назначение - обеспечить прочное сцепление бронзового пористого слоя с четвертым слоем - стальной основой. Толщина основы, которую изготовляют из стали 08кп, составляет 1-4 мм.

При работе такого подшипника пористый каркас второго слоя отводит  теплоту и воспринимает нагрузку, а поверхностный слой и питающая его фторопластовая «губка» выполняют роль смазочного материала, уменьшая трение. Если первый слой в отдельных местах по какой-либо причине изнашивается, то начинается трение стали по бронзе, что сопровождается повышением коэффициента трения и температуры. При этом фторопласт, имеющий более высокий температурный коэффициент линейного расширения, чем бронза, выдавливается из пор, вновь создавая смазочную пленку.

При тяжелых режимах трения, когда температура нагрева превышает 327 ^оС, происходит плавление свинца. Образующаяся жидкая фаза снижает коэффициент трения и тепловыделение.

Металлофторопластовые подшипники имеют высокие антифрикционные  свойства (в диапазоне температур -200÷280 °С: f = 0,03÷0,1: pv =1500 ^.10⁵ Па^. м/с). Их используют в узлах трения, работающих без смазочного материала, хотя его введение оказывает благоприятное действие. Они могут работать в вакууме, жидких средах, не обладающих смазочным действием, а также при наличии абразивных частиц, которые легко «утапливаются» в мягкой составляющей материала. Такие подшипники применяют в машиностроительной, авиационной и других отраслях промышленности.

Антифрикционные чугуны

Антифрикционные чугуны используют для изготовления литых деталей (подшипников скольжения  др.), работающих в узлах трения со смазкой. Такие  чугуны должны обеспечивать низкий коэффициент  трения, а в связи с этим малые  потери на трение и малую скорость изнашивания сопряженной детали (стального вала).

Антифрикционные свойства чугуна определяются перлитной структурой металлической основы, наличием фосфидной звтектики и большого количества крупных разрозненных включений графита. При этом перлитная основа создает достаточную прочность детали, фосфидная эвтектика обеспечивает повышение износостойкости, а впитывание и удержание смазки происходят в местах расположения графита.

Маркируют антифрикционные  чугуны буквами АЧ (А — антифрикционный, Ч — чугун) и в зависимости  от формы графитных включений  буквами С (серый чугун с пластинчатым графитом), В (высокопрочный чугун с шаровидным графитом), К (ковкий чугун с хлопьевидным графитом).

Большинство антифрикционных  чугунов содержат в небольшом  количестве специальные добавки  хрома, титана, меди и других элементов.

Антифрикционные чугуны изготовляют  следующих марок (ГОСТ 1585—85): АЧС-1, АЧС-2, АЧС-3, АЧС-4, АЧС-6, АЧВ-1, АЧВ-2, АКЧ-1, АЧК-1, АЧК-2 (цифра в конце марки означает ее порядковый номер).

Ниже приведен химический состав некоторых серых антифрикционных  чугунов:

АЧС-1 (3,2-3,6 % С; 1,3—2,0 % Sі; 0,6-1,2 % Мn; 0,2-0,5 % Сг; 0,8-1,6 % Сu; 0,15-0,40 % Р; <0,12 % S).

АЧС-2 (3,0—3,8 % С; 1,4—2,2 % Sі; 0,3—1,0 % Мn; 0,2—0,5% Сг; 0,2—0,5% Ni; 0,03—0,10% Ті; 0,2— 0,5 % Сu; 0,15—0,40 % Р; <0,12 % S).

АЧС-3 (3,2—3,8 % С; 1,7—2,6 % Sі; 0,3—0,7 % Мn; <0,3 % Сг; <0,3 % Ni; 0,03—0,10 % Ті; 0,2—0,5 % Сu; 0,15—0,40% Р; <0,12 % S).

С целью уменьшения износа сопряженной детали марку чугуна выбирают так, чтобы его твердость  была ниже твердости сопряженной  детали. Примеры использования антифрикционных  чугунов при работе в паре со стальными  валами: АЧС-1, АЧС-2 — для деталей, работающих в паре с термически обработанными  закаленными или нормализованными валами, АЧС-3 — для работы в паре с термически необработанными валами, АЧС-6 — для работы при температуре  до 300 °С, АЧВ-1 — для работы с повышенными окружными скоростями.

Минералы. Естественные (агат), искусственные (рубин, корунд) минералы или их заменители - ситаллы (стеклокристаллические материалы) применяют для миниатюрных подшипников скольжения - камневых опор. Камневые опоры используют в прецизионных приборах — часах, гироскопах, тахометрах и т. д. Главное достоинство таких опор - низкий и стабильный момент трения. Низкое трение достигается малыми размерами опор, что уменьшает плечо действия силы трения, а также низким коэффициентом трения вследствие слабой адгезии минералов к металлу цапфы. Постоянство момента трения обусловлено высокой износостойкостью минералов, способных из-за высокой твердости выдерживать громадные контактные давления.

Фрикционные материалы

Фрикционные материалы применяют  в тормозных устройствах и  механизмах, передающих крутящий момент. Они работают в тяжелых условиях изнашивания — при высоких давлениях (до 6 МПа), скоростях скольжения (до 40 м/с) и температуре, мгновенно возрастающей до 1000 °С. Для выполнения своих функций фрикционные материалы должны иметь высокий и стабильный в широком интервале температур коэффициент трения, минимальный износ, высокие теплопроводность и теплостойкость, хорошую прирабатываемость и достаточную прочность. Этим требованиям удовлетворяют многокомпонентные неметаллические и металлические спеченные материалы. Их производят в виде пластин или накладок, которые прикрепляют к стальным деталям, например дискам трения. Выбор материала производят по предельной поверхностной температуре нагрева и максимальному давлению, которые он выдерживает. Неметаллические материалы применяют при легких (t_пред  ≤ 200 °С, р_мах ≤ 0,8 МПа) и средних (t_пред = 400 ^оС, р_мах = '5 МПа) режимах трения. Из них преимущественно используют асбофрикционные материалы, состоящие из связующего (смолы, каучука), наполнителя и специальных добавок. Основным наполнителем является асбест, который придает материалу теплостойкость, повышает коэффициент трения и сопротивление схватыванию. К нему добавляют металлы (Си, Al, Pb, латунь) в виде стружки или проволоки для повышения теплопроводности; графит для затруднения схватывания (этому же способствует свинец, который, расплавляясь, служит как бы жидким смазочным материалом); оксиды или соли металлов (оксид цинка, барит BaSO₄ и др.) для увеличения коэффициента трения.

Из асбофрикционных материалов наибольшей работоспособностью обладает ретинакс (ФК-24А и ФК-16Л), который содержит 25 % фенолформальдегидной смолы, 40 % асбеста, 35 % барита, рубленую латунь и пластификатор. В паре со сталью ретинакс обеспечивает коэффициент трения 0,37-0,40. Его используют в тормозных механизмах самолетов, автомобилей и других машин.

Недостатком неметаллических  материалов является невысокая теплопроводность, из-за чего возможны перегрев и разрушение материала. Металлические спеченные материалы применяют при тяжелых режимах трения (t_пред  ≤ 1200 °С, р_мах ≤ 6 МПа). Их производят на основе железа (ФМК-8 и ФМК-11) и меди (МК-5). Кроме основы и металлических компонентов (Sn, Pb, Ni и др.), обеспечивающих прочность, хорошую теплопроводность и износостойкость, эти материалы содержат неметаллические добавки: асбест, графит, оксид кремния, барит. Они выполняют те же функции, что и в асбофрикционных материалах.

Материалы на основе железа из-за высокой теплостойкости используют в узлах трения без смазочного материала, а на основе меди-при смазывании маслом.

В многодисковой тормозной  системе самолетов используют бериллий из-за его высокой теплоемкости, теплопроводности и малой плотности.

Изотермический  распад переохлажденного аустенита. Критические  скорости закалки углеродистых и  легированных сталей.

2. Превращение аустенита  в перлит при медленном охлаждении.  

 

Превращение связано с диффузией  углерода, сопровождается полиморфным  превращением , выделением углерода из аустенита в виде цементита, разрастанием образовавшегося цементита.

В зависимости от степени  переохлаждения различают три области  превращения. Вначале, с увеличением  переохлаждения скорость превращения  возрастает, а затем убывает. При температуре 727 ^oС и ниже 200^o С скорость равна нулю. При температуре 200^o С равна нулю скорость диффузии углерода. 

 

Закономерности  превращения. 

 

Образцы нагревают до температуры, при которой структура состоит  из однородного аустенита (770⁰ С). Затем переносят в термостаты с заданной температурой (интервал 25 – 50⁰ С). Превращение аустенита можно легко обнаружить с помощью наблюдений за изменением магнитных характеристик, так как аустенит парамагнитен, а феррит и цементит обладают магнитными свойствами.

Получают серию кинетических кривых (рис. 12.5 а), которые показывают количество образовавшегося перлита  в зависимости от времени, прошедшего с начала превращения.

Рис. 12.5. Кинетические кривые превращения аустенита при охлаждении (а); диаграмма изотермического превращения аустенита (б) 

 

В начале наблюдается инкубационный подготовительный период, время, в течение которого сохраняется переохлажденный аустенит. Превращение протекает с различной скоростью и достигает максимума при образовании 50 % продуктов распада.

Затем скорость начинает уменьшаться  и постепенно затухает. С увеличением  степени переохлаждения устойчивость аустенита уменьшается, а затем  увеличивается.