«Ответы на вопросы материаловедению»

1. Цианирование

Целью химико-термической обработки является получение поверхностного слоя стальных изделий, обладающего повышенными твердостью, износоустойчивостью, жаростойкостью или коррозионной стойкостью. Для этого нагретые заготовки подвергают воздействию среды, из которой путем диффузии в поверхностный слой заготовок переходят нужные для получения заданных свойств элементы: углерод, азот, алюминий, хром, кремний и др. 

Эти элементы диффундируют в поверхностный слой лучше, когда они выделяются в атомарном состоянии при разложении какого-либо соединения. Подобное разложение легче всего происходит в газах, поэтому их и стремятся применять для химико-термической обработки стали. Выделяющийся при разложении газа активизированный атом элемента проникает в решетку кристаллов стали и образует твердый раствор или химическое соединение. Наиболее распространенными видами химико-термической обработки стали являются цементация, азотирование, цианирование. 

Цианирование – насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом; оно бывает жидкостным и газовым.

Жидкостное Цианирование производится в ваннах с расплавами цианистых солей [NaCN, KCN,Ca(CN)₂ и др]. при температуре, достаточной для разложения их с выделением активных атомов С и N.

Низкотемпературное (550-600 °С) Цианирование применяют главным образом для инструментов из быстрорежущей стали с целью повышения их стойкости и производится в расплавах чистых цианистых солей. Высокотемпературное (800-105850 °С) цианирование осуществляется в ваннах, содержащих 20-40%-ные расплавы цианистых солей с нейтральными солями (NaCl, Na₂CO₃ и др.) для повышения температуры плавления ванны. Продолжительность жидкостного цианирования от 5 мин до 1 ч. Глубина цианирования 0,2-0,5 мм.

После цианирования заготовки подвергают закалке и низкому отпуску. Цианирование, как и цементацию, применяют для различных изделий, при этом коробление заготовок значительно меньше, чем при цементации, а износо- и коррозионная стойкость более высокие. Недостатком жидкостного цианирования является ядовитость цианистых солей, а также их высокая стоимость.

Газовое цианирование отличается от газовой цементации тем, что к цементирующему газу добавляют аммиак, дающий активизированные атомы азота. Газовое цианирование так же как и жидкостное, разделяется на низкотемпературное и высокотемпературное.

При низкотемпературном (500-700°С) газовом цианировании в сталь преимущественно диффундирует азот (с образованием нитридов), а углерод диффундирует в малых количествах. Это цианирование так же как и жидкостное низкотемпературное, применяют для обработки инструментов из быстрорежущей стали.

При высокотемпературном газовом цианировании (800-850 °С) в сталь диффундирует значительное количество углерода с образованием аустенита. После высокотемпературного цианирования заготовки закаливают.

При газовом цианировании, называемом также нитроцементацией отпадает необходимость в применении ядовитых солей и, кроме того, имеется возможность обработки более крупных деталей.

2. Пенопласты

Газонаполненные пластмассы представляют собой гетерогенные системы, состоящие из твердой или упругоэластической фазы – связующего, газообразной фазы – наполнителя.

В зависимости от макроструктуры газонаполненные пластмассы делятся на пенопласты и поропласты. В пенопластах полимерная основа образует систему замкнутых изолированных ячеек, заполненных газом. В поропластах полимерная основа образует систему ячеек с частично разрушенными перегородками, сообщающихся между собой. Газообразная фаза в такой системе может циркулировать. Поропласты (губчатые материалы) эластичны, их объемная масса составляет 25–45 кг/м³. Получают поропласты, вводя в состав композиций вещества, способные выкипать при нагреве или вымываться водой, что и приводит к образованию пор. Поропласты выпускают в виде блоков с пленкой на поверхности. Они отличаются высокой способностью поглощать звуки (70–80%) на технических частотах.

Пенопласты – жесткие материалы, имеют малую объемную массу от 20 до 300 кг/м³. Замкнутая ячеистая структура придает им хорошую плавучесть и высокие теплоизоляционные свойства. Коэффициент теплопроводности низкий – от 0,003 до 0,007 Вт/(м • К).

Термопластичные пенопласты на основе полистирола, поливинилхлорида, полиэтилена и других получают их вспениванием в состоянии высокоэластичсской деформации, т.е. при температуре, превышающей температуру стеклования на 10–20°С. При этом происходит некоторая ориентация макромолекул, что приводит к получению более прочных пенопластов. Их термостойкость не превышает 60°С, так как при 70–80°С развиваются релаксационные процессы и связанная с ними усадка пенопласта.

Термореактивные смолы – фенолформальдегидная, эпоксидная, кремнийорганическая и другие, – быстро переходят при нагреве в вязкотекучее состояние с малой эластичностью и по мере увеличения пространственных связей быстро затвердевают, образуя пространственно сшитые макромолекулы. Формование изделий из термореактивных смол и их вспенивание выполняют на начальной стадии отверждения, когда молекулы смолы способны к вязкому течению.

Пористая структура получается введением в состав смол газообразователей – порофоров, минеральных (NH₄)C0₃, NaHCO₃ и органических (азодинитрил диизомасляной кислоты, полиизоцианаты и др.). Свойства пенопластов зависят от их плотности и химического состава полимерной основы (рис. 1).

Наиболее распространенными и прочными являются пенополистирол (ПС) и пенополивинилхлорид (ПХВ), способные работать при +60°С. Фенолкаучуковые (ФК) пенопласты имеют рабочую температуру 120–160°С. Наличие в их составе алюминиевой пудры (ФК-20-А-20) повышает рабочую температуру до 200–250°С. Пенопласт К-40 на кремний-органической основе кратковременно выдерживает температуру 300°С. Свойства некоторых пенопластов приведены в табл. 1.

Пенопласты нашли широкое применение в качестве теплоизоляционного материала в конструкциях холодильников, контейнеров, рефрижераторов и др. Они часто используются для заполнения внутренних полостей конструкций и тем самым повышают удельную прочность, жесткость и вибропрочность силовых элементов.

3. Низкий отпуск сталей

Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температур ниже Ас₁, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска. Так, например, осевые напряжения в цилиндрическом образце из стали, содержащей 0,3% С, в результате отпуска при 550°С уменьшаются с 60 до 8 кгс/мм². Так же сильно уменьшаются тангенциальные и радиальные напряжения.

Наиболее интенсивно напряжения снижаются в результате выдержки при 550°С в течение 15–30 мин. После выдержки в течение 1,5 ч напряжения снижаются до минимальной величины, которая может быть достигнута отпуском при данной температуре.

Скорость охлаждения после отпуска также оказывает большое влияние на величину остаточных напряжений. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные напряжения. Быстрое охлаждение от 600°С создает новые тепловые напряжения. По этой причине изделия сложной формы во избежание их коробления после отпуска при высоких температурах следует охлаждать медленно, а изделия из легированных сталей, склонных к обратимой отпускной хрупкости, после отпуска при 500–650°С во всех случаях следует охлаждать быстро.

Основное влияние на свойства стали оказывает температура отпуска. Различают три вида отпуска.

Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят с нагревом до 150–200°С, реже до 240–250°С. При этом снижаются внутренние напряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Закаленная сталь (0,5–1,3% С) после низкого отпуска сохраняет твердость в пределах HRC 58–63, а следовательно, высокую износостойкость. Однако такое изделие (если оно не имеет вязкой сердцевины) не выдерживает значительных динамических нагрузок.

Низкотемпературному отпуску подвергают поэтому режущий и измерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей; а также детали, претерпевшие поверхностную закалку, цементацию, цианирование или нитроцементацию. Продолжительность отпуска обычно 1–2,5 ч, а для изделий больших сечений и измерительных инструментов. назначают более длительный отпуск.