Химико-термическая обработка стали. Процессы, из которых состоит химико-термическая обработка. Краткое описание



Дата12.05.2018
Размер0.9 Mb.


Вариант 9


  1. Химико-термическая обработка стали. Процессы, из которых состоит химико-термическая обработка. Краткое описание……………………….3

  2. Начертите диаграмму сплавов «железо-цементит». По диаграмме «железо-цементит» опишите все структурные превращения, происходящие в стали, содержащей 0,8% углерода, при медленном ее нагревании от t0С=+250С до t0С=+15000С. Определите температуры начала и конца аллотропического превращения для данной стали………9

  3. Опишите процесс термической обработки быстрорежущей стали Р18. Укажите температуры нагрева и охлаждающих сред в процессе проведения термической обработки……………………………………….20

  4. Способы защиты металлов от коррозии. Электрохимическая защита от коррозии. Дайте краткое описание протекторной защиты и катодной защиты……………………………………………………………………….29

Список использованной литературы…………………………………………36



  1. Химико-термическая обработка стали. Процессы, из которых состоит химико-термическая обработка. Краткое описание.

Ответ:


Химико-термической обработкой называют поверхностное насыщение стаи соответствующим элементом (например, углеродом, азотом, алюминием, хромом и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды при высокой температуре.

Процесс химико-термической обработки включает три элементарные стадии: 1. Выделение диффундирующего элемента в атомарном состоянии благодаря реакциям, протекающим во внешней среде; 2. Контактирование атомов диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия и проникновение (растворение) их в решетку железа (адсорбция); 3. Диффузия атомов насыщающего элемента в глубь металла.

Скорость диффузии атомов насыщающего элемента в решетку железа неодинакова. При насыщении углеродом или азотом, образующим с железом твердые растворы внедрения, диффузия протекает быстрее, чем при насыщении металлами, образующими твердые растворы замещения.

Если энергия активации Q для углерода или азота в γ-железе составляет 31-32 ккал/(г·атом), то энергия активации для элементов, образующих с железом твердые растворы замещения (Cr, Mo, W, Al и др.), превышает 60 ккал/(г·атом), поэтому при диффузионном насыщении металлами процесс ведут при более высоких температурах и длительно и, несмотря на это, получают меньшую толщину слоя, чем при насыщении азотом, и особенно углеродом.



Толщина проникновения (диффузия) зависит от температуры и продолжительности насыщения (рис. 1)


Рис. 1. Зависимость толщины диффузионного слоя от продолжительности насыщения (а), температуры (б) и изменение концентрации по толщине диффузионного слоя (в).

Толщина диффузионного слоя x в зависимости от продолжительности процесса τ при данной температуре обычно выражается параболической зависимостью. Следовательно, с течением времени скорость увеличения толщины слоя непрерывно уменьшается (рис. 1,а). толщина диффузионного слоя, при прочих равных условиях, тем больше, чем выше концентрация диффундирующего элемента на поверхности металла (рис. 1,в).

Концентрация диффундирующего элемента на поверхности зависит от активности окружающей среды, обеспечивающий приток атомов этого элемента к поверхности, скорости диффузионных процессов, приводящих к переходу этих атомов в глубь металла, состава обрабатываемого металла, состава и структуры образующихся фаз. Повышение температуры, увеличивает скорость процесса диффузии, поэтому толщина диффузионного слоя, образующегося за данный отрезок времени, сильно возрастает с повышением температуры процесса (рис. 1,в).

Природа первичных образований, фазовый состав и изменение концентрации по толщине диффузионного слоя могут быть описаны диаграммой состояния: металл растворитель – диффундирующий элемент.

Покажем это на диаграммах состояния железо – диффундирующий элемент (Cr, Al, Si и др.). При температуре t (рис. 2) диффузия протекает в решети α без фазовых превращений. Следовательно, при температуре насыщения существуют только α-твердый раствор и концентрация диффундирующего элемента постепенно уменьшается от максимальной на поверхности до нуля на некоторой глубине.



Диффузионный слой по микроструктуре можно определить только из-за несколько большей или иной его травимости. Насыщение при температуре t₂ сопровождается фазовой перекристаллизацией при температуре диффузии. Диффузия первоначально протекает в γ-фазе, а по достижении на поверхности предела растворимости происходит фазовая перекристаллизация γ→α. Зародыши α-фазы от поверхности растут по направлению диффузии, образуя характерные столбчатые кристаллиты.

На границе раздела двух фаз (γ и α) устанавливается перепад концентрации (см. рис. 2), а в микроструктуре (после охлаждения) обнаруживается пограничная диффузионная линия. Существенно, что двухфазные слои (γ+α) при температуре диффузии не могут образовываться, а могут возникнуть только в результате превращений во время охлаждения. При насыщении легированной стали при температуре диффузии могут возникнуть многофазные слои.

Рис. 2. Схема диаграммы состояния железо – диффундирующий элемент, характеризующего элемента по толщине диффузионного слоя и строение диффузионного слоя.


При определении толщины диффузионного слоя, полученного при насыщении железа (стали) металлами и неметаллами обычно указывается не полная толщина слоя с изменением составом, а только толщина до пограничной диффузионной линии между α- и γ-фазами (при насыщении металлами) или до определенной твердости (концентрации диффундирующего элемента) – эффективная толщина диффузионного слоя.

Кроме этих основных видов хи­мико-термической обработки, в про­мышленности применяют также поверхностное насыщение стали метал­лами: алюминием, хромом, кремнием и др. Процесс этот называется диф­фузионной металлизацией стали.  

Цементация - про­цесс поверхностного насыщения сталь­ных деталей углеродом. Цель цементации получить детали с вязкой сердцевиной и твердой поверхностью. Такие детали во время работы не разрушаются от уда­ров и хорошо сопротивляются истиранию. Цементации подвергают детали из углеродистой и легированной стали с содержанием угле­рода от 0,08 до 0,35%. Богатые углеродом смеси, применяемые для цементации, - карбюризаторы - могут быть твер­дыми,   жидкими и газообразными.

Цементация в твердом карбюризаторе производится путем на­грева деталей, упакованных в железные ящики (рис. 68) вместе с карбюризатором.

Карбюризатор представляет собой порошкообразную смесь, состоящую из древесного угля (70%), углекислого бария ВаСO(20-25%) и углекислого кальция СаСO3 (3-5%).

Температуру цементации принимают на 20-50° выше точки АC3 . Температура до 920-930° С позволяет почти в два раза сократить длительность процесса без ухудшения механических свойств стали. Насыщение стали углеродом происходит путем непосредственного соприкосновения частиц угля с поверхностью стальных деталей в газовой среде, которая служит передатчиком углерода. При пра­вильном подборе карбюризатора содержание углерода в поверх­ностном слое не превышает 1,0-1,10%, что можно считать нормальным. Продолжительность цементации - от 5 до 15 и более часов в зависимости от глубины науглероживания и марки стали. Для це­ментации могут быть использованы самые разнообразные печи - камерные, непрерывного действия, с вращающейся ретортой, обо­греваемые мазутом, газом или электрические. 

Жидкостной  цементации подвергают мелкие изде­лия; их погружают в расплавленные соляные ванны, состоящие из 75-85% Na2CO3 (сода), 10-15% NaCl (поваренная соль) и 6-10% SiC(карбид кремния).

Газовая  цементация в окиси углерода СО впервые была применена П. П. Аносовым. Сущность ее состоит в том, что цементируемые изделия нагревают и выдерживают при температуре 920-950° С в печи, куда в течение всего процесса непрерывно по­дается цементирующий газ. Для этой цели используют природный газ, состоящий в основном из метана СН4, или искусственные газы, получаемые в результате разложения (пиролиза) нефтепродуктов- керосина, различных масел, бензола, пиробензола и др. Основной составляющей искусственных газов также является метан СН4.

Детали загружают в муфельные печи, в которые вводят цемен­тирующие газы. При газовой цементации продолжительность про­цесса сокращается в 2-2,5 раза. Так, для получения цементован­ного слоя глубиной 1,0-1,2 мм требуется затратить 4-5 часов. Кроме этого, газовая цементация обладает и другими преимущест­вами: возможностью регулировать процесс за счет изменения коли­чества и химического состава подаваемого газа: отсутствием гро­моздкого оборудования и угольной пыли; возможностью произво­дить закалку непосредственно из печи. Процесс газовой цементации более экономичен. 

Азотированием называется насыщение поверх­ности стали азотом. Основоположником азотирования стали явля­ется русский ученый проф. Н. П. Чижевский, который впервые ис­следовал и применил этот процесс. Для азотирования используют аммиак NH3. Сущность азотирования заключается в том, что ам­миак при температуре 500-750° С разлагается на азот и водород, и активные атомы азота (атомарный азот), диффундируя в поверхност­ный слой, сообщают поверхности стали большую твердость, не влияя на механические свойства сердцевины деталей. В промыш­ленности для изготовления деталей, подлежащих азотированию, в настоящее время широко применяют сталь марки 35ХМЮА или ее заменитель 35ХВФЮА. После окончательной механической обра­ботки детали закаливают от температуры 960° С с охлаждением в воде или в масле и подвергают отпуску при 600° С также с охлаждением в воде или в масле. Затем детали азотируют. Продолжитель­ность азотирования от 12 до 60 и даже до 90 часов в зависимости от требуемой толщины азотированного слоя и характера процесса.

Длительность выдержки деталей в потоке аммиака в печи влияет на глубину азотированного слоя. В среднем при 500° С азот за каж­дые 10 часов диффундирует на глубину 0,1 мм. На практике для сокращения времени азотирования процесс ведут путем ступенча­того нагрева: вначале в течение 12-15 часов при температуре 500- 520° С; затем температуру поднимают до 550—600° С и дают выдерж­ку 15-20 часов. При таком режиме длительность процесса удается сократить в 2,0-2,5 раза. В результате азотирования твердость стали достигает НВ 1000-1100; последующей термической обработ­ки не требуется.

Азотирование имеет ряд преимуществ перед цементацией: она дает незначительное изменение размеров деталей, обеспечивает бо­лее высокую твердость и износоустойчивость (при нагреве до тем­пературы 500-550° С твердость азотированных деталей не снижа­ется); сообщает деталям хорошую сопротивляемость действию пе­ременных нагрузок, высокий предел выносливости и коррози­онную стойкость. Недостаток азотирования - длительность про­цесса.

Азотирование применяют в машиностроении для получения вы­сокого качества дизельной аппаратуры, измерительного инстру­мента, зубчатых колес и др. 

Цианирование - процесс одновременного насыщения поверх­ности стали углеродом и азотом для придания ей высокой твердости, сопротивляемости истиранию и коррозионной стойкости.

Одновременное присутствие в среде углерода и азота ускоряет их совместную диффузию в поверхностные слои стали. Такими средами могут быть расплавленные цианистые соли (жидкостное цианирова­ние), науглероживающие и азотирующие газы (газовое цианирова­ние), твердые порошки и пасты (твердое цианирование). Цианирова­нию подвергают углеродистые и легированные стали.

Существует два вида цианирования: высокотемпературное и низкотемпературное.

Высокотемпературное  цианирование при­меняют для деталей из углеродистой и легированной стали с содер­жанием углерода 0,3-0,4% с целью получения твердого, хороша сопротивляющегося истиранию поверхностного слоя и вязкой серд­цевины. Такое цианирование проводится при температурах 780-930° С, т. е. выше точки ЛГ1, когда сталь находится в состоянии аустенита и преобладает процесс насыщения ее углеродом. Этот вид цианирования широко применяют на автомобильных заводах для зубчатых колес и различных мелких деталей.

Низкотемпературное  цианирование при­меняют для инструментов из быстрорежущей стали при температу­рах 500-600° С, т. е. ниже точки AC1, когда преобладает процесс насыщения стали азотом, с последующим медленным охлаждени­ем цианированного инструмента.

В последнее время на заводах вводится новый процесс циа­нирования - газовое цианирование, или нитроцементация. Газо­вое цианирование занимает промежуточное положение между газо­вой цементацией и азотированием и поэтому иногда называется нитроцементацией.

При газовом цианировании детали нагреваются в смеси газов, содержащих углерод и азот. Для этой цели используют смесь окиси углерода СО и аммиака ΝΗ3. При их химическом взаимодействии образуются активный углерод и азот. В последнее время газовое ци­анирование (нитроцементацию) производят в печах, оборудованных для газовой цементации, путем введения в рабочее пространство этих печей бензола или пиробензола.

 Кроме указанных процессов на­сыщения поверхности стали углеродом и азотом, широко применяют насыщение стали алюминием, хромом, кремнием и др. Этот про­цесс применяют главным образом с целью получения стальных дета­лей, устойчивых против разъедания щелочами и кислотами, а так­же с целью повышения устойчивости стали против окисления горячи­ми печными газами, т. е. против окалинообразования. 

Алитированием называется процесс насыщения поверхности стальных и чугунных деталей алюминием с целью повышения их жаростойкости. Алитированию подвергают главным образом мало­углеродистые стали. Процесс алитирования может происходить в твердой, жидкой и газообразной средах. Наиболее распространен способ алитирования в твердой среде. Детали, подлежащие алити­рованию, укладывают в железные ящики со смесью, состоящей из 49% порошка алюминия, 49% окиси алюминия и 2% хлористого аммония. Укладывать детали в ящики следует так же, как при це­ментации в твердом карбюризаторе. Ящики плотно закрывают крыш­ками, обмазывают огнеупорной глиной, погружают в печь и на­гревают в течение 5-10 часов при температуре от 900 до 1100° С. За это время образуется алитированный слой глубиной 0,3-1,0 мм.

После алитирования детали подвергаются диффузионному от­жигу при температуре около 1000° С с выдержкой 4-6 часов. В ре­зультате отжига содержание алюминия в поверхностном слое сни­жается, что уменьшает хрупкость алитированного слоя.

При алитировании в жидкой среде в стальном тигле расплавля­ют алюминий, насыщенный 6-8% железа, и в него погружают де­тали. Алитирование производится при температуре 750-800° С в течение 50-90 минут. Такая выдержка обеспечивает получение слоя глубиной 0,2-0,35 мм.

При газовом алитировании изделие вместе с порошком ферро­алюминия погружают в реторту и пропускают хлористый водород. После обменных реакций, протекающих при температуре 850 - 1000° С, атомарный алюминий диффундирует в поверхностные слои деталей.

Процесс газового алитирования длится обычно не более 4 часов. За это время можно получить алитированный слой глубиной 0,4 мм. После окончания процесса как жидкого, так и газового алитирова­ния рекомендуется производить диффузионный отжиг. 

Диффузионным хромированием называют процесс насыщения поверхности стали хромом. Хромирование может производиться в твердых, газовых и жидких средах.

При хромировании в твердой среде применяют порошкообраз­ную смесь из 60-65% металлического хрома или феррохрома, 30- 35% глинозема и 5% хлористого аммония. Процесс ведется при температуре 1000-1150° С в течение 7-12 часов. При хромирова­нии низкоуглеродистой стали на поверхности деталей за это время образуется хромированный слой толщиной 0,1-0,25 мм.

При жидком хромировании изделия нагревают в ванне из рас­плавленных хлористых солей бария, магния и кальция с добавкой феррохрома и хлористого хрома. Процесс ведется при температуре 980-1000° С. При хромировании в газообразной среде изделия нагревают до 950-1050° С в атмосфере парообразного хлористого хрома. В низкоуглеродистых сталях хром растворяется в α-железе. В высокоуглеродистых сталях хром образует карбиды. Хромированию подвергают различные детали и инструменты, от которых требуются высокая износоустойчивость, коррозионная стойкость и жаропрочность,-такие, как сверла, калибры, клапаны компрессоров и т. д. Жаростойкость хромированных сталей состав­ляет 800-850° С. 

Силицированием называют процесс поверхностного насыщения стали кремнием с целью повышения кислотоупорности, сопротивле­ния износу и жаростойкости деталей. Силицирование проводят в твердом, жидком и газообразном цементаторе.

Для твердого  силицирования используют смесь ферросилиция с шамотом. Чтобы ускорить процесс, добавляют хлористый алюминий. Процесс ведут при 1100 - 1200° С. При вы­держке 4-10 часов образуется силицированный слой глубиной 0,2-0,7 мм. При жидком  силицировании используют хло­ристые соли с добавкой ферросилиция. Процесс ведут при 950- 1000° С. Газовое  силицирование имеет наибольшее про­мышленное значение; его проводят аналогично алитированию, с ис­пользованием ферросилиция. Процесс идет более интенсивно, чем в предыдущих случаях. После выдержки при 1050° С в течение 2 часов получают слой толщиной 1,0 мм, насыщенный кремнием.

Характерной особенностью силицированного слоя является его пористость. Если проварить деталь в масле при температуре 150- 200° С, масло, впитываясь в поры, способствует самосмазыванию детали, повышая ее стойкость при работе на истирание. Жаростой­кость силицированных деталей не превышает 800-850° С. 

В последние годы разработаны новые процессы повышения из­носоустойчивости стальных деталей, которые называются сульфидированием и сульфоцианированием. Сущность  сульфидирова­ния заключается в насыщении поверхности стальных деталей се­рой на глубину 0,2-0,3 мм путем их нагрева в расплавленных серноазотистых солях при температуре 550-600° С с выдержкой в те­чение 2-3 часов. В результате поверхность деталей насыщается се­рой до 0,5% и азотом до 1,0%. Сульфидированные детали хорошо работают на трение. По лабораторным исследованиям износоустой­чивость деталей после сульфидирования повышается в 2-3 раза.

Сульфоцианирование - процесс поверхностного на­сыщения стали серой, углеродом и азотом. Совместное влияние серы и азота в поверхностном слое металла обеспечивает более высокую износоустойчивость. Сульфоцианирование проводится обычно в соляных ваннах при температуре 550-600° С.




  1. Начертите диаграмму сплавов «железо-цементит». По диаграмме «железо-цементит» опишите все структурные превращения, происходящие в стали, содержащей 0,8% углерода, при медленном ее нагревании от t0С=+250С до t0С=+15000С. Определите температуры начала и конца аллотропического превращения для данной стали.


Ответ:

Рисунок 3. Диаграмма состояния железо-цементит

Диаграммой состояния называется графическое изображение, показывающее фазовый состав сплавов в зависимости от температуры и концентрации химических компонентов в условиях равновесия. Фазой называется однородная часть системы, отделенная от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства сплава изменяются скачкообразно. На рисунке 4 (рис. 51) изображены в виде схемы структурные превращения, которые происходят при нагреве и медленном охлаждении в стали с содержанием углерода, равным 0,8%. (сталь У8).

Следует обратить внимание на то, что образующийся при нагреве аустенит получается более мелкозернистым, чем исходное перлитное зерно. Размер получающихся зерен аустенита будет определяться размером пластинок перлита.




Рисунок 4.

Из этой же схемы видно, что при нагреве аустенитное зерно растет. Чем выше температура, тем крупнее зерно аустенита.

Если хотят получить мелкое зерно в стали при комнатной температуре (мелкозернистая структура имеет более высокое значение ударной вязкости, твердости и прочности), необходимо иметь мелкое аустенитное зерно перед охлаждением.

Структура доэвтектоидной стали при нагреве ее до критичес­кой точки Ас1 представляет собой смесь перлита и феррита. В точке Ас1 начинается фазовая перекристаллизация перлита, т. е. превращение его в мелкозернистый аустенит. При дальнейшем нагреве (от точки Ас1 до точки Ас3,) избыточный феррит растворяется в аустените, при достижении точки Ас3, (ли­ния GS) этот процесс заканчивается. Выше точки Ас3 структура стали становится аустенитной.

При нагреве заэвтектоидной стали выше температуры точкиАс1 в аустените начинает растворяться избыточный цементит. Выше точки Аст (линия ES) сталь состоит только из аустенита, неодно­родного по химическому составу. В тех местах, где был цементит, аустенит богаче углеродом, а там, где был феррит, - беднее. Поэтому при термической обработке для выравнивания химического состава аустенита сталь нагревают до температуры, немного выше верхней критической точки Ас3, и выдерживают при этой температуре.

При повышении температуры выше точки Ас3 мелкие зерна аус­тенита соединяются между собой, размеры их увеличиваются.



При скорости нагрева в промышленных термических печах на­чальное зерно аустенита имеет номера 8-10. При нагреве концентрированными потоками энергии (лазер, электронный луч, ТВЧ и др.) начальное зерно получается более мелким — вплоть до номера 14.

 

 

Рисунок 5. Диаграмма изотермического превращения аустенита стали, содержащей 0,8 % углерода



 

На диаграмме видны две С-образные кривые. Кривая I указы­вает время начала превращения, кривая II - время конца превра­щения переохлажденного аустенита. Период времени до начала распада аустенита называют инкубационным. При 700 °С превра­щение аустенита начинается в точке а и заканчивается в точке b, в результате этого процесса образуется перлит. При 650 °С распад аустенита происходит между точками а1 и b1. В этом случае образуется сорбит - тонкая (дисперсная) механическая смесь феррита и цементита. Сталь, в которой доми­нирует структура сорбита, имеет твердость 30-40 HRCэ. Такая сталь обладает высокой прочностью и пластичностью.



Устойчивость аустенита в значительной мере зависит от степе­ни переохлаждения. Наименьшую устойчивость аустенит имеет при температурах, близких к 550 °С. Для эвтектоидной стали время устойчивости аустенита при 550-560 °С - около 1 с. По мере удаления от температуры 550 °С устойчивость аустенита возраста­ет. Время устойчивости при 700 °С составляет 10 с, а при 300 °С - около 1 мин. При охлаждении стали до 550 °С (точки начала и конца распада - а2 и b2 соответственно, аустенит превращается в троостит - смесь феррита и цементита, которая отличается от перлита и сорбита высокой степенью дис­персности составляющих и обладает повышенной твердостью (40-45 HRCэ), прочностью, умеренной вязкостью и пластичностью. 

а — перлит; б — сорбит; в — троостит

Рисунок 6 – Микроструктура, полученная с помощью электронного микроскопа (X 7500) 

Таким образом с повышением содержания углерода в конструкционных сталях увеличивается объем, занимаемый перлитом, что повышает прочность и твердость. В инструментальных же сталях основной объем всегда занят перлитом, а с повышением содержания углерода увеличивается количество твердого, но хрупкого цементита, и это приводит к повышению твердости и хрупкости стали.

Однако в таком состоянии до проведения термической обработки сталь не обладает достаточно высокой твердостью и прочностью и потому не пригодна для изготовления ответственных деталей и инструмента. Для получения стали с наибольшей прочностью и твердостью необходима термическая обработка - закалка. При закалке стали нагревают до температуры получения структуры аустенита (выше критических точек Ас3 или Ас1 ), выдерживают некоторое время при этой температуре, а затем быстро охлаждают в воде, масле, растворах солей, кислот, щелочей, на воздухе и в других средах. Охлаждение применяют для повышения твердости и прочности. Максимальная твердость при этом достигается за счет получения структуры мартенсита. Закалка с последующим отпуском позволяет изменять свойства стали в широком диапазоне.

Для того чтобы закалить сталь, ее необходимо нагреть до опре­деленной температуры. Если углеродистую сталь нагреть до темпе­ратуры ниже критической (Ас1), то твердость ее по сравнению с исходным состоянием мало изменится, в структуре такой стали не будет мартенсита. Структуру мартенсита можно получить толь­ко в результате распада аустенита.



Углеродистая инструментальная сталь У8 ГОСТ 1435 – популярный материал для изготовления рабочих деталей штампов для холодной листовой штамповки высокопластичных металлов, упоров, фиксаторов, отрезных ножей холодновысадочных автоматов. Кроме того, из данной стали производят некоторые виды металлорежущей оснастки, в частности, метчики и плашки. Ручной инструмент – напильники, зубила, крейцмейсели и т.п. – также могут изготавливаться из стали У8.

Температура критических точек стали У8 составляет:



  1. Начало аустенитного превращения, от исходного перлита при нагреве – 720 °С.

  2. Окончание аустенитного превращения — 740 °С.

  3. Температуры начала и окончания превращения аустенита в перлит при охлаждении совпадают, и находятся в пределах 700 °С.

  4. Мартенситное превращение, начинаясь при 810 °С, заканчивается при 245 °С.

Температура нагрева стали при закалке зависит, прежде всего, от содержания в ней углерода. Доэвтектоидные стали при закалке нагревают до температур, на 40 - 50 °С превышающих критичес­кую Ас3. При таком нагреве структура стали становится аустенитной. После­дующее быстрое охлаждение приводит к превращению аустенита в мартенсит. Такая закалка называется полной. Заэвтектоидные стали при закалке нагревают до температур, на 40-50 °С превышаю­щих критическую Ас1т. е. до 760-780 °С. При данной температуре структура ста­ли будет состоять из аустенита и це­ментита. В результате быстрого охлаж­дения аустенит перейдет в мартенсит, а цементит сохранится в структуре за­каленной стали, так как он не претер­певает превращений при охлаждении.

 

 

А — аустенит; Ф — феррит; П — перлит; Ц — цементит



Рисунок 7 – Температурный ин­тервал закалки углеродистых сталей

 

Следовательно, после закалки сталь будет иметь структуру мар­тенсита и цементита. Такая закалка называется неполной.



Если доэвтектоидную сталь подвергнуть неполной закалке, т. е. нагреть до температуры выше точки Ас1 но ниже точки Ас„, в ее структуре наряду с аустенитом появится феррит. После за­калки структура такой стали будет состоять из мартенсита и мяг­кого феррита. Наличие в закаленной стали феррита приведет к снижению не только ее твердости и прочности, но и пластичес­ких свойств.

Заэвтектоидная сталь после неполной закалки имеет в своей структуре твердый цементит, который не только не снижа­ет ее твердость, но даже не снижает износостойкость. Полная же закалка этой стали, т. е. нагрев ее до температуры выше точки Аст, не только не требуется, но и опасна. Твердость стали при этом не увеличится, зато создадутся благоприятные условия для перегре­ва, возникновения закалочных трещин и обезуглероживания стали.

Время выдержки при температуре закалки зависит от химического состава стали и вида нагревающей среды. Оно должно быть достаточным для того, чтобы обеспечить образо­вание однородного аустенита по всему сечению изделия. Чем больше толщина и масса изделия, тем продолжительнее должна быть вы­держка, но большая выдержка может привести к росту зерен аустенита.

Режим отжига стали У8 определяется следующими факторами:

-способом укладки заготовок на под термической печи;

-соотношением высоты и толщины заготовок;

-температурой нагрева;

-типом нагревательной печи.



График отжига

Экспериментально установлено, что наиболее эффективным режимом отжига является укладка заготовок в один слой на теплоизоляционных подставках из асбеста, при расстоянии между смежными заготовками не менее 3D (под D следует понимать максимальный габаритный размер сечения в плане). Тогда для нагрева до нужной температуры (1000…1200 °С) потребуется: для сечения до 20 мм – 5…6 мин; для сечения до 30 мм – 8…10 мин; для сечения до 40 мм – 9…12 мин; для сечения до 50 мм – 12…15 мин; для сечения до 75 мм – 15…18 мин; для сечения до 100 мм – 19…25 мин.

Поскольку с увеличением продолжительности нагрева возникает опасность поверхностного науглероживания, то отжиг обычно ведут в печах с контролируемой атмосферой, либо в среде инертных газов (двуокиси углерода или даже аргона).

При иных способах укладки скорость нагрева уменьшается на 15…20%.

Лучшее качество отжига получается, если его проводить поэтапно. Вначале выполняется предварительный нагрев, для чего заготовки помещают в печь, которая уже имеет температуру в рабочей зоне до 500…550 °С, а потом постепенно нагревают изделия до требуемой температуры, не допуская скорости нагрева большей, чем 100 °С в час. По достижении требуемого температурного диапазона, отжигаемую продукцию выдерживают в печи не менее 30% от общей продолжительности операции, а потом отключают печь.



Аллотропические превращения возникают в структуре кристаллической решетки некоторых металлов при изменении температуры. Они представляют собой перегруппировку атомов и переход одного вида кристаллической решетки в другой, Существование одного металла в нескольких кристаллических формах называется аллотропией, или полиморфизмом, а процесс перехода из одной кристаллической формы в другую - аллотропическим превращением.

Различные кристаллические формы металла называются аллотропическими, или полиморфными, модификациями и обозначаются начальными буквами греческого алфавита а, р, у и т. д. Буква ос обозначает модификацию металла, существующего при самой низкой температуре. Следующие буквы относятся к модификациям с более высокой температурой.

Процесс аллотропического превращения происходит при постоянной температуре и сопровождается выделением скрытой теплоты кристаллизации при охлаждении (или поглощением при нагреве). Вследствие этого аллотропическое превращение отмечается на кривой охлаждения горизонтальной линией.

Например, железо может существовать в нескольких модификациях. До температуры 911 °С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку. При 768 °С на кривой охлаждения получается ступенька, связанная не с перестройкой решетки, а с потерей магнитных свойств До этой температуры телезо магнитно и называется а-железо, а выше указанной температуры желе-80 теряет магнитные свойства и до температуры 911 °С называется железо.

В интервале температур 911-1392 °С железо образует гране-центрированную кубическую решетку и называется v-железо. Высокотемпературная модификация железа устойчивая, при температурах от 1392 °С до 1539 °С, имеет объемно-центрированную кубическую решетку а-железа и в отличие от него называется 3-железо.

Аллотропические превращения различных металлов имеют свои особенности. Знание их необходимо для практического использования при получении сплавов, а также для проведения термической пли химико-термической обработки. 

Признаки аллотропического превращения следующие:

1. Изменяется тип кристаллической решетки;

2. Наблюдается тепловой эффект;

3. Свойства изменяются скачком

Таким образом в железе наблюдается два аллотропических превращения (при температурах 911 и 13900).

С изменением типа кристаллической решетки   железа  резко изменяется растворимость в нем углерода. Так максимальная растворимость углерода в aFe 0,02% (при    t=7230), а в gFe 2,14% (при t=11300). Это черезвычайно важно для понимания процессов происходящих при термической обработке стали.

Процессы происходящие при нагреве мартенсита для стали У8 графически показаны на рис.8.  

В легированных сталях при нагреве мартенсита указанные температурные интервалы могут существенно смещаться в сторону более высоких температур. В некоторых сталях при этом могут выделяться кроме цементита специальные карбиды и нитриды (например,VC,VN и т.п.).

Особо подчеркнем, что при повышении температуры нагрева мартенсита твердость и временное сопротивление разрыву снижаются, но зато растет сопротивление ударным нагрузкам (KCU).






  1. Опишите процесс термической обработки быстрорежущей стали Р18. Укажите температуры нагрева и охлаждающих сред в процессе проведения термической обработки.

Ответ:


Сталь инструментальная быстрорежущая (по ГОСТ 9373-60) предназначается для изготовления металлорежущего инструмента с большим сопротивлением изнашиванию и сохранением механических свойств в условиях повышенной температуры до 600-700оC.

Основные сведения:

ГОСТ 19265-73, другие марки: Р9,Р12,Р9Ф5,Р6М5К5,Р9М4К8,Р9К5,Р10К5Ф2 и др.

Химический состав:



Химический элемент

%

Ванадий (V)

1.00-1.40

Вольфрам (W)

17.0-18.5

Кобальт (Co), не более

0.50

Кремний (Si), не более

0.50

Марганец (Mn), не более

0.50

Молибден (Mo), не более

1.00

Никель (Ni), не более

0.40

Сера (S), не более

0.03

Углерод (C)

0.73-0.83

Фосфор (P), не более

0.03

Хром (Cr)

3.80-4.40

Механические свойства:

Механические свойства в зависимости от температуры отпуска.



t отпуска, °С

B, МПа

KCU, Дж/м2

HRCэ

Закалка 12800С, масло. Отпуск трёхкратный по 1 ч.

400

1370

23

61

500

1470

19

63

550

2350

17

66

600

2210




65

Технологические свойства:

Температура ковки: Начала 1200, конца 900. Охлаждение в колодцах при 750-800 0С. Свариваемость: при стыковой электросварке со сталью 45 и 40Х хорошая. Шлифуемость: повышенная (ГОСТ 19265-73).



Температура критических точек:

Критическая точка

0С

Ас1

820

Ас3

860

Аr3

770

Ar1

725

Физические свойства:

Температура испытания, 0С

20

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Модуль нормальной упругости, Е, ГПа

228

223

219

210

201

192

181










Модуль упругости при сдвиге кручением G, ГПа

83




























Плотность,pn,кг/см3

8800




























Коэффициент теплопроводности Вт/(м*0С)




26

27

28

29

28

27

27







Уд. Электросопротивление (р,Ном*м)

419

472

544

627

718

815

922

1037

1152

1073

Красностойкость:

Температура, °С

Время, ч

Твердость, HRCэ

620

4

59

Основные свойства (достоинства и недостатки): повышенная износостойкость, узкий интервал закалочных температур, повышенная пластичность при горячей пластической деформации, пониженная шлифуемость.

Назначение:

Резцы, сверла, фрезы, резьбовые фрезы, долбяки, развертки, зенкеры, метчики, протяжки для обработки конструкционных сталей с прочностью до 1000 МПа, от которых требуется сохранение режущих свойств при нагревании во время работы до 600 °С, заменитель сталь Р12.

Основное свойство быстрорежущих сталей -высокая теплостойкость. Она обеспечивается введением большого количества вольфрама совместно с другими карбидообразующими элементами: молибденом, ванадием, хромом.

W и Mo в присутствии Cr связывают углерод в специальный труднокоагулируемый при отпуске карбид типа Ме6С и задерживают распад мартенсита. Выделение дисперсных карбидов, которое происходит при повышенных температурах отпуска (500-600 оC), вызывает дисперсионное твердение мартенсита( явление вторичной твердости). Особенно эффективно вторичная твёрдость и теплостойкость повышаются при введении нескольких сильных карбидообразователей, например вольфрама (одного или совместно с молибденом) и ванадия. При отпуске ванадий, выделяясь в виде карбидов, усиливает дисперсионное твердение, а вольфрам (молибден), сохраняясь в мартенсите, задерживает его распад. Добавление ванадия усиливает действие вольфрама и молибдена.

Увеличению теплостойкости способствует также кобальт. Он не образует карбидов, но, повышая энергию межатомных сил связи, затрудняет коагуляцию карбидов и увеличивает их дисперсность.

Основное же назначение углерода - повышенная твердость.

В результате комплексного легирования инструменты из быстрорежущих сталей сохраняют высокую твёрдость до 560-6400С и допускают в 2-4 раза более производительные режимы резания, чем инструменты из углеродистых и низколегированных сталей.

Основные свойства быстрорежущей стали марки Р18 (первичная термическая обработка).

Температура ковки: 1200-900 оC

Температура отжига: 840-860 оC

НВ (не более): 255

Массовая доля карбидной фазы: 28%

Быстрорежущие стали, к которым относится сталь марки Р18, - наиболее характерные для режущих инструментов. Они сочетают высокую теплостойкость (600 - 650оγ) - превращения (Со, Аl), и применением специальной термической обработки, заключающейся в закалке с высоких температур (1200 - 1300Cв зависимости от состава и обработки ) с высокими твердостью ( до HRC68 - 70 ), износостойкостью при повышенных температурах и повышенным сопротивлением пластической деформации. Высокие режущие свойства быстрорежущих сталей обеспечиваются легированием сильными карбидообразующими элементами (W,Mo,V), элементами, повышающими температуру (α  оC) и в отпуске, вызывающем дисперсионное твердение (первичная термическая обработка).

Подобная термическая обработка приводит к карбидной неоднородности. Избыточные карбиды быстрорежущих сталей входят в состав эвтектики, образующейся по границам зерен аустенита и δ-феррита. Литая сталь из-за присутствия эвтектики имеет высокую хрупкость и низкую прочность.

Режимы окончательной термической обработки и свойства быстрорежущей стали марки Р18.

Температура закалки: 1270-1290 оC

Температура отпуска: 550-570 оC

HRC: 61-65

σ и : 2600-3000 Мпа

Существенное улучшение структуры и прочностных свойств данных сталей достигается в ходе особой термической обработки. Рассмотрим ее на примере быстрорежущей стали марки Р18 .

Углерод в  быстрорежущей стали, как и во всякой другой стали, является важным элементом, под влиянием которого сталь приобретает способность закаливаться на высокую твердость.

Χρом  в количестве около 4% настолько сильно понижает кри­тическую скорость закалки, что сталь становится «самозакаливаю­щейся», т. е. закаливается на воздухе. При содержании хрома выше нормы резко увеличивается количество остаточного аустенита в структуре закаленной стали.

Вольфрам в быстрорежущей стали - основной легирую­щий элемент.  Благодаря высокому содержанию Wи его карбидов закаленная сталь не теряет режущей способности при 560 - 600° С. Вольфрам придает красностойкость быстрорежущей стали.



Ванадий является сильным карбидообразующим элементом и создает прочные карбиды, которые затрудняют рост зерна при на­греве под закалку и уменьшают склонность стали к перегреву. Под влиянием ванадия увеличивается красностойкость быстрорежущей стали и повышается эффект вторичной твердости при отпуске. Высо­копрочные карбиды ванадия, равномерно распределенные в струк­туре быстрорежущей стали, повышают сопротивление инструмента истираемости и улучшают режущие свойства стали.

 

 

Рисунок 9. График термической обработки   быстроре­жущей стали Р18:

I - растворение карбидов в аустените,  

II - выделение карби­дов из остаточного аустенита, 

III-мартенситное превраще­ние 

Термическая обработка быстрорежущей стали имеет особеннос­ти, обусловленные ее химическим составом. Для более полного раст­ворения карбидов в аустените и получения красностойкого мартен­сита нагрев при закалке производят до высокой температуры (1260- 1280° С).

Оптимальная температура нагрева под закалку быстрорежущей стали Ρ18 для тонких деталей (5-8 мм)1260° С, для деталей тол­щиной более 10-15 мм 1280° С, а для инструментов простой формы, например резцов, 1300° С. Для стали Р9 температура нагрева под закалку составляет 1230-1250° С.

Быстрорежущая сталь обладает малой теплопроводностью и склонна к образованию трещин, изделия из нее нагревают до 820-850° С медленно, чтобы не вызвать тепловых напряжений, а затем быстро до 1260-1280° С. Окончательный нагрев лучше всего производить в соляных ваннах, так как при этом можно избежать обезуглероживания стали. Выдержка при температуре закалки зависит от сечения инстру­мента и измеряется долями минуты. Охлаждение быстрорежу­щей стали производится в масле.

Быстрорежущая сталь после закалки обязательно должна под­вергаться отпуску при температурах 580° С для стали Ρ18 и 560° С для стали Р9.

В структуре закаленной быстрорежущей стали содержится от 30 до 40% остаточного аустенита; твердость такой стали значитель­но ниже, чем при однородной мартенситной структуре. Поэтому для наиболее полного превращения остаточного аустенита в мартенсит применяют многократный отпуск с выдержкой по 1 часу (I, II , III,... и т. д., рис. 1). Во время выдержки при отпуске из аусте­нита выделяются карбиды, а при охлаждении аустенит превращает­ся в мартенсит. В результате твердость и износостойкость стали повышаются. Структура быстрорежущей стали после отпуска - мартенсит отпуска, высокодисперсные карбиды и небольшое коли­чество остаточного аустенита.

Для снижения твердости сталь, прежде всего, отжигают.В литом виде она имеет ледебуритную эвтектику, которую устраняют горячей деформацией путем измельчения первичных карбидов.

Ковкастали - ответственная операция. При недостаточной проковке возникает карбидная ликвация- местное скопление карбидов в виде участков неразрушенной эвтектики. Карбидная ликвация снижает стойкость инструмента и увеличивает его хрупкость. Деформированную сталь для снижения твердости (до 207 - 255 НВ) подвергают изотермическому отжигу. Структура отожженных сталей состоит из сорбитообразного перлита, вторичных и более крупных первичных карбидов. Общее количество карбидов в стали Р18 составляет примерно 28%. Основным карбидом стали Р18 является сложный карбид вольфрама переменного составаFe3W3C(Me6C), который растворяет в себе часть ванадия и хрома.

В карбидах содержится 80-95% (WиV)и 50%Cr. Остальная часть легирующих элементов растворена в феррите.

Высокие эксплуатационные свойства инструменты из быстрорежущих сталей приобретают после закалки и трехкратного отпуска. Из-за низкой теплопроводности быстрорежущие стали при закалке нагревают медленно с прогревами при 450 и 850 оC, применяя соленые ванны для уменьшения окисления и обезуглероживания. Особенность закалки быстрорежущих сталей - высокая температура нагрева(температура закалки стали Р18 1270-12900С,температура отпуска 550-5700С). Она необходима для обеспечения теплостойкости – получения после закалки высоколегированного мартенсита в результате перехода в раствор максимального количества специальных карбидов. Степень легирования аустенита (мартенсита) увеличивается с повышением температуры нагрева. При температуре 1300 оC достигается предельное насыщение аустенита - в нем растворяется весь хром, около 8%W, 1%Vи 0,4-0,5%С. Легирование аустенита происходит при растворении вторичных карбидов. Первичные карбиды не растворяются и тормозят рост зерна аустенита, поэтому при нагреве, близком к температуре плавления, в быстрорежущих сталях сохраняется мелкое зерно.

Быстрорежущие стали по структуре после нормализации относятся к мартенситному классу. От температуры закалки мелкие инструменты охлаждают на воздухе, крупные- в масле. Сложные по форме инструменты (фрезы и т.д) для уменьшения деформаций подвергают ступенчатой закалке с выдержкой в горячих средах при 500-5500С.

Низкотемпературное газовое цианирование быстрорежущих сталей.


Качество инструмента в значительной мере определяется свойствами поверхностного слоя. Наиболее эффективно свойства поверхностного слоя могут быть повышены в результате химико-термической обработки, поскольку возрастают твердость, теплостойкость, стойкость против коррозии, в ряде случаев уменьшается коэффициент трения.

Наиболее универсальным и эффективным методом упрочнения поверхностного слоя инструментов из быстрорежущих сталей является азотирование и цементация. Азот и углерод легко усваиваются поверхностью стали, образуют с железом твердые растворы внедрения и сравнительно быстро диффундируют в стали, образуя защитные слои значительной толщины.

Исследования показали, что в ряде случаев совместное диффузионное насыщение стали азотом и углеродом (цианирование) позволяет получать определенные преимущества перед отдельным и последовательным азотированием и цементированием. Например, азот способствует диффузии углерода, поэтому можно понизить температуру диффузионного насыщения до 850 оCи получить примерно такое же науглероживание, как и при цементации. В этом случае уменьшится рост зерна аустенита и последующую закалку можно проводить сразу же после некоторого подстуживания. Средой низкотемпературного газового цианирования является смесь цементирующего газа с 3-5% аммиака, в диффузионной зоне образуются карбонитриды. В зависимости от состава газовой смеси и содержания углерода в стали атмосфера в рабочем пространстве может быть науглероживающей, обезуглероживающей и нейтральной. Нейтральному составу газовой смеси соответствует определенная равновесная концентрация углерода на поверхности стальной детали. Эту концентрацию принято называть углеродным потенциалом контролируемой атмосферы. Очевидно, науглероживание будет происходить в том случае, если концентрация углерода на поверхности стали будет меньше углеродного потенциала газовой смеси при данной температуре.

При соответствующем составе газовой среды и определенных свойствах протяжки ионы углерода и азота адсорбируются поверхностью изделия. При этом образуется защитный слой на поверхности детали, а также идет процесс диффузионного насыщения стали .

Наружная часть слоя, содержащая больше 0,8% С , имеет структуру заэвтектоидных сталей - перлит и вторичный цементит, который при медленном охлаждении выделяется на границах аустенитных зерен в виде оболочек. Средняя часть слоя, имеющая эвтектоидную концентрацию, состоит из перлита. Далее по направлению к сердцевине концентрация углерода уменьшается, структура соответствует доэвтектоидной стали.

Цианированные слои хорошо сопротивляются износу и коррозии, обладают повышенной твердостью. Одновременное насыщение стали углеродом и азотом можно также проводить при температуре 820-860 оC в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий (жидкостное цианирование). В ванне, содержащей 20-25% NaCN, 25-50% NaCl и 25-50% Na 2CO 3 , за 1 час выдержки при указанной температуре можно получить диффузионный слой толщиной примерно 0,3 мм, который после закалки от 820-860 оC приобретает поверхностную твердость HRC 58-62 и содержит примерно 0,7% С и 1% N.

Активированная газовая среда является более рациональной исходной средой для процесса химико-термической обработки. Это среда, лишенная нейтральных (балластных) примесей, где активный диффундирующий элемент образуется в результате диссоциации, диспропорционирования или восстановительных реакций. Очевидно, что процесс химико-термической обработки в газовой среде лишен многих “лишних” стадий, следовательно, идет быстрее и качественнее. В жидкостном цианировании есть еще один существенный недостаток – ядовитость образующихся в ходе процесса цианистых солей.


  1. Способы защиты металлов от коррозии. Электролитическая защита от коррозии. Дайте краткое описание протекторной защиты и катодной защиты.

Выбор способов защиты от коррозии определяется характером коррозии и условиями ее протекания. Все методы защиты делятся на группы:

1) изменение природы металла (легирование);

2) защитные покрытия;

3) электрохимическая защита;

4) изменение свойств коррозийной среды.

Способы защиты металлов от коррозии. Легирование - эффективный метод повышения коррозийной стойкости металлов. При легировании вводят компоненты, вызывающие наряду с пассивированием металла, повышение его жаростойкости и жаропрочности. Это такие добавки, как хром, никель, вольфрам и т. п.

Защитные покрытия бывают металлические и неметаллические. Металлические покрытия, в свою очередь, разделяются на анодные (металл-покрытие более активен, чем защищаемый) и катодные (металл-покрытие менее активен, чем защищаемый). Более эффективными являются анодные покрытия, так как при нарушении их целостности будет корродировать покрытие, а не защищаемый металл. Например, для железа анодным покрытием будут Zn, Сr и др. Примером катодного покрытия могут служить Sn, Ag, Ni.

Лакокрасочные покрытия, эмали относятся к неметаллическим покрытиям. Они должны быть стойкими к высоким температурам, кислотам, щелочам, бензину и другим агрессивным факторам.

К электрохимическому способу защиты металлов от коррозии относят протекторную и катодную защиту.

Протекторная защита наиболее часто используется для предохранения конструкций (подземных трубопроводов, кабелей, корпусов судов), находящихся в среде электролита (морской воде, почве). Электрохимическая защита осуществляется присоединением к защищаемой конструкции металла с более отрицательным значением электродного потенциала, который, выполняя роль анода, разрушается.

Сущность катодной защиты заключается в том, что защищаемые изделия подключают к отрицательному полюсу внешнего источника тока. В электродной среде изделие становится катодом, что и предотвращает его разрушение, а анодом служит вспомогательный электрод.

Изменение свойств коррозийной среды. Снизить агрессивность коррозийной среды можно дезаэрацией (удалением) кислорода, изменением рН среды, введением ингибиторов. Ингибиторы, адсорбируясь на коррозийной поверхности, тормозят процессы, тем самым уменьшая скорость коррозии.

Далее более подробно опишем данные способы защиты:



Электрохимическая защита- эффективный способ защиты готовых изделий от электрохимической коррозии. В некоторых случаях невозможно возобновить лакокрасочное покрытие или же защитный оберточный материал, тогда целесообразно использовать электрохимическую защиту. Покрытие  подземного трубопровода или же днища морского суда очень трудоемко и дорого возобновлять, иногда просто невозможно. Электрохимическая защита надежно защищает изделие от коррозии, предупреждая разрушение подземных трубопроводов, днищ судов, различных резервуаров и т.п.

Применяется электрохимическая защита в тех случаях, когда потенциал свободной коррозии находится в области интенсивного растворения основного металла либо перепассивации. Т.е. когда идет интенсивное разрушение металлоконструкции.

К готовому металлическому изделию извне подключается постоянный ток (источник постоянного тока или протектор). Электрический ток на поверхности защищаемого изделия создает  катодную поляризацию электродов микрогальванических пар. Результатом этого является то, что анодные участки на поверхности металла стают  катодными. А в следствии воздействия коррозионной среды идет разрушение не металла конструкции, а анода.

В зависимости от того, в какую сторону (положительную или отрицательную) смещается потенциал металла, электрохимическую защиту подразделяют на анодную и катодную.



Протекторная защита представляет собой использование специального вещества - ингибитора, который является металлом с повышенными электроотрицательными качествами. Под воздействием воздуха протектор растворяется, в результате чего основной металл сохраняется, несмотря на воздействие коррозийных факторов. Протекторная защита - одна из разновидностей катодного электрохимического метода. Данный вариант антикоррозийных покрытий особенно часто применяется, когда предприятие стеснено в своих возможностях по организации катодной защиты от коррозийных процессов электрохимического характера. Например, если финансовые или технологические возможности предприятия не позволяют построить линии электропередач. Схема протекторной защиты трубопровода Протектор-ингибитор эффективен, когда показатель переходного сопротивления между защищаемым объектом, и средой вокруг него, не является значительной. Высокая результативность протектора возможна лишь на определенной дистанции. Чтобы выявить это расстояние, применяется определение радиуса антикоррозийного действия применяемого протектора. Данное понятие показывает максимальное удаление защищающего металла от охраняемой поверхности. Суть коррозийных процессов сводится к тому, что наименее активный метал в период взаимодействия, привлекает к собственным ионам электроны более активного металла. Таким образом, в одно и то же время осуществляется сразу два процесса: восстановительные процессы в металле с меньшей активностью (в катоде); окислительные процессы металла анода с минимальной активностью, за счет чего и обеспечивается защита трубопровода (или другой стальной конструкции) от коррозии. Спустя некоторое время эффективность протектора падает (в связи с потерей контакта с защищаемым металлом или же из-за растворения защищающего компонента). По этой причине возникает потребность в замене протектора. Особенности метода Протекторы для защиты от коррозийных процессов в условиях кислых сред лишены смысла. В таких средах растворение протектора происходит опережающими темпами. Методика рекомендуется для применения только в нейтральных средах. В сравнении со сталью, большей активностью обладают такие металлы, как хром, цинк, магний, кадмий, а также, некоторые иные. В теории именно перечисленные металлы нужно использовать для защиты трубопроводов и других металлоконструкций. Однако тут есть ряд особенностей, зная которые, можно обосновать технологическую бессмысленность применения чистых металлов в качестве защиты. К примеру, для магния характерна высокая скорость развития коррозии, на алюминии стремительно образовывается толстая оксидная пленка, а цинк растворяется очень неравномерно из-за своей особой крупнозернистой структуры. Чтобы свести на нет подобные отрицательные свойства чистых металлов, в них добавляют легирующие элементы. Иначе выражаясь, защита газопроводов и других металлических конструкций осуществляется за счет использования всевозможных сплавов.
Нередко применяются магниевые сплавы. Помимо основного компонента - магния — в их составе имеется алюминий (5-7%) и цинк (2-5%). Кроме того, добавляются небольшие количества никеля, меди и свинца. Магниевые сплавы актуальны для защиты от коррозии в условиях сред, где показатель pH не превышает 10,5 единиц (традиционный грунт, пресные и слабосоленые водоемы). Данный ограничивающий показатель связан с быстрой растворяемостью магния на первом этапе и дальнейшим появлением труднорастворимых соединений. Обратите внимание! Магниевые сплавы часто влекут трещины в металлических изделиях и повышают их водородную хрупкость. Для конструкций из металлов расположенных в соленой воде (например, подводном морском трубопроводе), следует применять протекторы, в основе которых находится цинк. Такие сплавы также содержат: алюминий (до 0,5%); кадмий (до 0,15%); медь и свинец (суммарно до 0,005%). В водной соленой среде защита металлов от коррозии с помощью сплавов на основе цинка будет оптимальным вариантом. Однако в пресных водоемах и на обычном грунте такие протекторы очень быстро обрастают оксидами и гидроксидами, в результате чего антикоррозионные мероприятия теряют смысл.

Протекторы на основе цинка чаще используются для защиты от коррозии тех металлических конструкций, где технологические условия требуют наивысшей степени противопожарной безопасности и взрывобезопасности. Примером востребованности таких сплавов являются газопроводы и трубопроводы для транспортировки горючих жидкостей. Кроме того, цинковые составы, в результате анодного растворения, не образуют загрязняющих веществ. Поэтому такие сплавы практически безальтернативны, когда нужно защитить трубопровод для транспортировки нефти или металлоконструкции в танкерных судах. В условиях соленой проточной воды на прибрежном шельфе часто применяются алюминиевые сплавы. Такие составы включают кадмий, таллий, индий, кремний (в сумме - до 0,02%), а также магний (до 5%) и цинк (до 8%). Протекторные свойства алюминиевых составов близки со свойствами магниевых сплавов.

Катодная электрохимическая  защита от коррозии применяется тогда, когда защищаемый металл не склонен к пассивации. Это один из основных видов защиты металлов от коррозии. Суть катодной защиты состоит в приложении к изделию внешнего тока от отрицательного полюса, который поляризует катодные участки коррозионных элементов, приближая значение потенциала к анодным. Положительный полюс источника тока присоединяется к аноду.  При этом коррозия защищаемой конструкции почти сводится к нулю. Анод же постепенно разрушается и его необходимо периодически менять.

Существует несколько вариантов катодной защиты: поляризация от внешнего источника электрического тока; уменьшение скорости протекания катодного процесса (например, деаэрация электролита); контакт с металлом, у которого потенциал свободной коррозии в данной среде более электроотрицательный (так называемая, протекторная защита).

Поляризация от внешнего источника электрического тока используется очень часто для защиты сооружений,  находящихся в почве, воде (днища судов и т.д.). Кроме того данный вид коррозионной защиты применяется для цинка, олова, алюминия и его сплавов, титана, меди и ее сплавов, свинца, а также высокохромистых, углеродистых, легированных (как низко так и высоколегированных) сталей.

Внешним источником тока служат станции катодной защиты, которые состоят из выпрямителя (преобразователь), токоподвода к защищаемому сооружению, анодных заземлителей, электрода сравнения и анодного кабеля.

Катодная защита применяется как самостоятельный, так и дополнительный вид коррозионной защиты. Главным критерием, по которому можно судить о  эффективности катодной защиты, являетсязащитный потенциал. Защитным называется потенциал, при котором скорость коррозии металла в определенных условиях окружающей среды принимает самое низкое (на сколько это возможно) значение.

В использовании катодной защиты есть свои недостатки. Одним из них является опасность перезащиты. Перезащита наблюдается при большом смещении потенциала защищаемого объекта в отрицательную сторону. При этом выделяется. В результате – разрушение защитных покрытий, водородное охрупчивание металла, коррозионное растрескивание.



Список использованной литературы


  1. Адаскин А.М., Зуев В.М. Материаловедение (металлообработка),-М.: Высшая школа, 2010.

  2. Адаскин, А.М. Материаловедение и технология материалов: Учебное пособие / А.М. Адаскин, В.М. Зуев.. - М.: Форум, НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 336 c.

  3. Арзамасов, Б.Н. Материаловедение / Б.Н. Арзамасов. - М.: Машиностроение, 2015. - 384 c.

  4. Барановский Ю.В. Режимы резания металлов. Справочник -М.: Машиностроение, 1972.

  5. Батышев, А.И. Материаловедение и технология материалов: Учебное пособие / А.И. Батышев, А.А. Смолькин. - М.: ИНФРА-М, 2012. - 288 c.

  6. Безпалько, В.И. Материаловедение и технология материалов: Учебное пособие / Под ред. А.И. Батышев, А.А. Смолькин. - М.: НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 288 c.

  7. Богодухов, С. Материаловедение: Учебник / С. Богодухов. - М.: Машиностроение, 2015. - 504 c.

  8. Бондаренко, Г.Г. Материаловедение: Учебник для СПО / Г.Г. Бондаренко, Т.А. Кабанова, В.В. Рыбалко. - Люберцы: Юрайт, 2016. - 360 c.

  9. Вишневецкий, Ю.Т. Материаловедение для технических колледжей: Учебник / Ю.Т. Вишневецкий. - М.: Дашков и К, 2013. - 332 c.

  10. Галимов, Э.Р. Материаловедение для транспортного машиностроения: Учебное пособие / Э.Р. Галимов. - СПб.: Лань, 2013. - 448 c.

  11. Гуляев А. П. Металловедение - М.: Металлургия, 2010.

  12. Грановский Г.И. Резание металлов: Учебник для машиностроительных и приборостроительных специальностей вузов. -М.: Высшая школа, 1985.

  13. Дальский А.М. Технология конструкционных материалов.-М.: Машиностроение, 2004.

  14. Косилова А.Г. Мещеряков Р.К. Справочник технолога-машиностроителя. Т.2 -М.: Машиностроение, 2001.

  15. Кузьмин Б. А. Технология металлов и конструкционные материалы. - М.: Высшая школа, 2009.

  16. Лахтин Й. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 2011.

  17. Лившиц Б.Г., Крапошин В.С, Липецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1980.

  18. Металловедение и термическая обработка стали. Т.1, 2, 3. Справочник. - М.: Металлургия, 2013.

  19. . Мозберг, Р.К. Материаловедение / Р.К. Мозберг. - М.: Высшая школа; Издание 2-е, перераб., 2015. - 448 c.

  20. Никулин, С.А. Материаловедение: специальные стали и сплавы: Учебное пособие / С.А. Никулин, В.Ю. Турилина. - М.: МИСиС, 2013. - 123 c.

  21. Никулин, С.А. Материаловедение и термическая обработка: Учебное пособие / С.А. Никулин, В.Ю. Турилина. - М.: МИСиС, 2013. - 171 c.

  22. Проскурин, А.Д. Материаловедение и технологические процессы в машиностроении: Учебное пособие / С.И. Богодухов, А.Д. Проскурин, Р.М. Сулейманов; Под общ. ред. С.И. Богодухов. - Ст. Оскол: ТНТ, 2012. - 560 c.

  23. Справочник по электротехническим материалам. Т.1,2,3 - М.: Энергоатомиздат, 2009.

  24. Общетехнический справочник под ред. Е.А.Скороходова - М.: Машиностроение, 2012.

  25. Чернов, Д.К. Избранные труды по металлургии и металловедению: моногр. / Д.К. Чернов. - М.: Книга по Требованию, 2016. - 452 c.




Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©dogmon.org 2017
обратиться к администрации

    Главная страница