) По Lmtge, Ann. Phys., 1925, 476—492.
ГО
о
irpxp
кубиков: углерод—алмаз и кремний; 4) гексагональная решетка—графит; 5) двойная—гексагональная: /-кобальт, титан и цирконий. В перечне не указаны два элемента,—марганец и уран: решетка последнего еще не установлена, об решетке первого не имеется отчетливого представления; G. Таттапп приписывает марганцу решетку первой группы, U. Lange — решетку второй группы, A. IVcstgrcen и G. Fhragmtn—также решетку первой группы для «-Mм. G. Таттапп считает также и ванадий образующим решетку первой группы с центрированными гранями куба.
Непрерывные твердые растворы могут легко образовывать такие два элемента, решетки которых аналогичны по строению и близки по основным размерам.Такими элементами можно считать: U-Ре и Мп, «-/> и CV, у-Ft и $-К, у-Ft и a-JTi, У-Ре и Си. По отношению к CC-FЬ все элементы первой группы обладают также способностью давать твердые растворы, но до известной предельной концентрации. Другой характерной особенностью элементов I группы является то обстоятельство, что все они не даюг более или менее устойчивых соединений с углеродом. Таким образом, введение
в С. одного из элементов Си, Al, Ifi или «-Соможет влиять лишь на свойства основной массы железа, заменяя его образующимися твердыми растворами, и совсем не оказывает влияния на свойства имеющихся в С. обраэо ван и и карбида железа (цементит). Может быть отмечено в этом отношении влияние алюминия, стремящегося при достаточно высоком содержании его в растворе
Совершенно оттеснить карбид в область с меньшей концентрацией алюминия {фигура 19).
Наиболее важной технически примесью С. этой группы элементов является никкель.
Фигура T9. Строение стали с местным высоким содержанием AI.
Вторая группа примесей С., обладающая решеткой кубической, пространственно центрированной — подобной решетке «-железа {фигура 16).— О, V, Mo, IV, — в противоположность первой группе, все дают прочные соединения с углеродом: карбиды хрома, ванадия, молибдена, вольфрама; при этом стремление их к соединению с углеродом столь велико, что при достаточном содержании примеси из соединения с углеродом вытесняется все желеао, и карбид железа перестает существовать, уступая место карбидам специальных примесей. По отношению к «-железу примеси эти обладают также способностью растворяться и образовывать твердые растворы; эта способность постепенно ослабляется по мере увеличения атомного номера элемента, в то время, как стремление с соединению с углеродом, наоборот, возрастает с возрастанием атомного номера. Есть основания предполагать, что растворимость этих элементов в у железе, устойчивом в области высоких температур, невелика, что и является главнейшей особенностью тех сортов специальной С., в состав которых входят: хром, ванадий, молибден и вольфрам. Само собой разумеется, что все этипримеси, действуя одновременно и на пластическую составляющую С., железо, и на твердую составляющую-карбид, черезвычайно сильно изменяют свойства С., делая их разительно несхожими со свойствами С. обыкновенней, не содержащей специальных примесей. Достаточно указать на такие замечательные сорта С., как нержавеющая С. с высоким содержанием хрома, быстрорежущая С. с высоким содержанием вольфрама, хромай ванадия.
К третьей группе примесей относятся элементы со сложней кубической решеткой, построенной как бы из двух решеток, входящих одна в другую таким образом, что вершины тетраэдров одной решетки располагаются посредине граней тетраэдров второй решетки (G.
Таттапп). Таковым строением обладают углерод-алмаз и кремний {рис. 20).
Предположение о том, что углеред в стали может являться в форме алмаза {А. А.
Райков) не доказано экспериментально. Некоторое сходство решетки этой группы с решеткой /-железа(поверхностно центрированный куб) хорошо согласуется со способностью углерода растворяться до известного предела именно в /-железе. С « железом углерод образует, как указывалось выше, прочное определенное соединение Рея С, карбид железа.
Кремний также дает соединение с « железом—силицид железа /е3 6/, (Murakami, Куриа-ков), распадающееся при переходе железа в форму /-железа. Кремний обладает большей растворимостью в у-железе, чем в «-железе.
Фигура го. Тетраэдрическая кубическая решетка кристаллов алмаза и кремния {L. IV. Мс. К с eh ап и Е. С. Bain).
Четвертая группа. Углерод-графит, имеющий гексагошальную решетку совершенно особенной формы с отношением высоты к стороне шестиугольника равным 2,75, всегда находится самостоятельно существующим в «-железе, но с у-железом образует твердый раствор, предельная концентрация которого приблизительно совпадает спредельной концентрацией рас творимости в у-железе другой формы углерода, освобождают е и ся при разложении железного _ _ „
карбида. Как со- Фш- Двойная гексагональная ставляющая С. Решетка кристаллов титана, ко-графит всегда бальта и циркония (L. W. Me. нежелателен, так К,chan и Е. С. Bain).
как его присут- <
Ствие неизбежно ослабляет С., образуя места с пониженными силами сцепления частиц.
Пятая группа примесей, имеющая двойную
гексагональную решетку (фигура 21)— /-кобальт, титан и цирконий—является группой мало изученной. Но все же можно коистатировать, что некоторые из этих примесей, в особенности же кобальт, оказывают черезвычайно сильное влияние на отдельные свойства С. (задерживательная сила при намагничивании).
Марганец, по характеру своего рлияния на свойства С., черезвычайно сильного и резкого, скорее юего может быть поставлен в ту же группу, как и хром, то есть с пространственно центрированной решеткой. Он способен давать определеннее соединение с углеродом Mп3С, карбид марганца, обладает достаточною растворимостью в «-железе и, повидимому, меньшей способностью растворяться в /-железе. Прибавление к С. 12% Мп делает С. неистирающеюся свысокомарганцо-вистая С. Гадфильда).
Принимая во внимание разнообразие взаимоотношений каждой отдельной примеси с основными строительными материалами С,—железом и карбидом железа, можно понять стремления металлургов к одновременному использованию влияния нескольких примесей из одной и той же или из различных групп, охарактеризованных выше.
Главнейшие и наиболее распространенные сорта специальной С. перечислены в последней главе настоящей статьи.
IV. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА С. j. К временам глубокой древности относится открытие замечательного свойства С. .принимать закалку“, .закаливаться“. Изобретательность человека сумела использовать это свойство для своих целей, как созидательных (инструменты), так и разрушительных (орудия войны). Еще несколько десятилетий тому назад существовал общепонятный простой взгляд на С. и ее свойство закаливаться: С.— это материал прочный, обладающий вполне определенными свойствами, всегда одинаковыми; закаленная С.—синоним большой твердости, упругости, неподатливости. По мере углубления наших знаний в изучение природы, в эпоху огромного расцвета физики в первой четверти XX столетия, взгляд на природу С. и ее способность закаливаться все более и более усложнялся, существовавшая некогда ясность все более и более затушевывалась. Но это отсутствие ясности лишь предрассветный туман: годы упорной работы, как лабораторной, так и философски-обобщаюшей, не прошли бес следно—плоды многолетних трудов ученых, исследователей и металлургов дают возможность наметить хотя бы в общих чертах определенную теорию закалки С.
Основою этой теории является принцип изменяемости свойств С. в связи с изменяемостью ее физического строения.
Факторами, влияющими на изменение строения С., являются: 1) температуре, 2) работа внешних сил, 3) время. Несомненно, сильнейший из этих факторов — температура, то есть изменение теплового состояния С.
При нагревании С., при достижении известной скорости тепловых колебаний частиц происходят в С. внезапные явления, протекающие с черезвычайно большой скоростью. Эти явления в основных чертах сводятся к следующему: а) происходит перестройка кристаллической решетки, меняющей одновременно или в черезвычайно близкой последовательности как самуюформу расположения атомов, так и расстояние между атомами; б) как следствие первого явления—происходит резкое и внезапное изменение объёма С., связанное с выделением некоторого количества теплоты; в) вследствие перестройки кристаллической решетки нарушаются существовавшие до этого момента взаимоотношения между отдельными веществами, участвующими в построении рассматриваемого объёма С., в результате чего получается после превращения совершенно новое строение с новым расположением не только атомов железа, но также атомов других элементов, входящих в состав С-; сравнительно просто объясняется то, что происходит при этом с атомами углерода: до перестройки решетки железа из формы а в форму у углерод существовал в С-, соединенный с тройным количеством атомов железа, образуя легко видимое и различимое в микроскоп тело—карбид железа; после же перехода железа в форму у непосредственное изучение строения С. не дает возможности установить присутствия какого-либо, отличимого от общей массы, тела; кгрбида, как отдельной составляющей,
более не существует, составлявшие его атомы железа и углерода приняли участие в построении общей однородной массы С.: железо—как материал для построения решетки, углерод—как вещество растворенное, атомы которого располагаются внутри решетки основного тела.
Т. обр., некоторый незначительный импульс в виде ничтожного ускорения тепловых колебаний влечет за собой целую цепь превращений первостепенного значения, превращений, приводящих к полному изменению строения и природы имевшегося металла.
При обратном изменении теплового состояния, при постепенном замедлении тепловых колебаний, обычно, еа очень редкими и немногими исключениями, возникает также в определенный момент, при определенной скорости тепловых колебаний, импульс к восстановлению прежнего состояния. Повторяются снова процессы, происходившие при I нагревании: внезапно перестраивается решетка из формы у в форму а} происходит связанное с этой перестройкой изменение объёма С., атомы углерода и др. элементов, растворенные в -железе, не имея более возможности оставаться в новой решетке, вновь возвращаются к самостоятельному существованию, связываясь с соответствующим количеством атомов железа и объединяясь в структурныеформы, различимые глазом в микроскоп при достаточном увеличении.
Несомненно, при такой сложности и многообразии происходящих совместно явлений вероятность получения после нагревания и охлаждения строения, тождественного с имевшимся первоначально, до нагревания,—ничтожно мала, почти всегда получатся некоторые новые формы взаимного расположения отдельных структурных составляющих С.
Но изменениестроения равнозначаще изменению свойств, как функции строения. Этим соображением легко объясняется легкость изменения
Свойств С.
Второе основное положение теории закалки С. может быть формулировано следующим образом. Конечное состояние С. (комплекс: строение и свойства) после охлаждения в сильной степени зависит пт скорости изменения теплового состояния С. при охлаждении.
Процессы, происходящие в С. при охлаждении, являясь по самой природе своей функцией изменения расположения и перемещения атомов, «амым тесным образом связаны с интенсивностью теплового состояния тела; для возможности протекания этих процессов необходимы вполне определенные пределы изменения скорости тепловых колебаний; выйдя из этих пределов в сторону уменьшения скорости колебаний, неизбежно встретимся с явлением замедления и даже полной задержки процессов изменения расположения атомов.
При охлаждении нагретого металла должна существовать некоторая строго ограниченная область тепловых состояний, дающая возможность протекать всему ряду процессов, описанных выше. область эта начинается с момента возникновения первого импульса к превращению и заканчивается некоторою вполне определенной скоростью тепловых колебаний (температурой), при которой становится черезвычайно затрудненным перемещение атомов.
Каждое отдельное превращение в некотором объёме совершается полностью в течение известного промежутка времени для следующего за ним превращения требуется время и так далее С другой стороны, охлаждение С. может быть выполнено практически с любой скоростью в пределах от весьма быстроо охлаждения, напо. в жидком воздухе, до весьма медленного охлаждения,—в печи, остывающей с подтапливанием; следовательно, то время— S, 8 течение которого металл при охлаждении пребывает в области тепловых состояний, допускающих превращения, может изменяться в пределах достаточно широких. Рассматривая сс« отношение между Хт, то есть суммарной продолжитвльностью всех совершающихся в С. при охлаждении процессов, и ()—временем охлаждения от начальной температуры превращения до температуры полной задержки превращений, можно допустить возможность трех отдельных случаев:
1) 0 (медленное охлаждение;, 2) &=:2ти 3) 2т (быстрое охлаждение). Несомненно,
конечное состояние С. после охлаждения будет резко различным во всех этих трех случаях. Если считать нормальным первый случай, приводящий ко вполне устойчивому состоянию законченных превращений, то во втором случае будет наблюдаться некоторая незаконченность последних стадий превращения, в третьем же случае —полная задержка последних стадий или даже всего ряда превращений.
В общем случае, предполагая непрерывность изменения & —времени охлаждения некоторого малого объёма до теплового состояния, фиксирующего расположение атомов, характер влияния соотношения St и на конечное строение металла может быть выражен диаграммой, разработанной Н. Гуд новым („Курс лекций по термической обработке С.“) и изображенной на фигуре 22. Эта диаграмма дает возможность установить след, положения:
I. Постепенно уменьшая можно последовательно задерживать процессы: 1) объединения обраи
j -— да, о,»-» j
Сяг-г“ aSrte Heerм a Met’’» Y
на jffHte
Фигура 23. Диаграмма, выражающая зависимость между скоростью охлаждения стали и ее конечным строением после охлаждения
(Н. Т. Гудцов).
зовавшихся при перестройке кристаллической решетки частиц карбида железа (от a nob на фиг .12)
2) выхода из решетки железа атомов углерода и др. элементов (от Ь до г): 3) превращения решетки у - железа в решетку се - железа (от с до d).
И. Существование однотипного строения в каждом мельчайшем объёме С. является случаем, вероятность получения которого сравнительно очень мала (случаи a, b, end на фигуре 22).
III. Наиболее частым и общим случаем строения С. при скоростях охлаждения, соответствующих vT то есть быстрому охлаждению, является совместное существование в каждом мельчайшем объёме конечных стадий двух смежных по времени процессов,—последующего и предыдущего—см. график строения С. после охлаждения внизу диаграммы фигура 22.
Три основные формы строения С., получаемые при быстром охлаждении: а) распавшегося твердого раствора, б) пересыщенного твердого раствора в а-железе, в) нормального твердого раствора в у-железе, — отличаются одна от другой значительною разностью физических своих свойств. Одним из наиболее существенных обстоятельств служит наблюдаемое различие уд. объёмов всех трех перечисленных форм строения С-, причемразличие это по границе перехода твердого раствора у - железа в твердый раствор а - железа более значительно. При вероятности частого получения при закалке строения, комбинированного из двух различных соседних форм строения, особо важное значение получает существование различия в удельных объёмах. Это различие неизбежно влечет за собой возникновение в быстро охлажденном металле скрытых напряжений большой сравнительно величины, способных повлечь за собою растрескивание изделия или же сильное коробление его. Особенно опасна в этом отношении область, лежащая непосредственно вправо от ординаты с на диаграмме фигура 22.
Наблюдаемые на практике случаи растрескивания закаливаемых изделий при незначительном повышении температуры закалки на несколько градусов хорошо объясняются графиком строения быстро охлажденной С.: повышение температуры закалки, как известно, равносильно повышению скорости охлаждения; перемещение же скорости охлаждения изделия вправо (фигура 22) может повлечь за собой сохранение в каждом мельчайшем объёме некоторого незначительного, может-быть, количества решетки у - железа, присутствие каковой в окружении решетки СС - железа способно вызвать громадные скрытые напряжения, разрушаю щие изделие.
Таким образом, мы приходим к общему выводу из всего сказанного о строении С. при быстром охлаждении: применяя различные скорости охлаждения С., нагретой до температуры, лежащей выше точки превращения альфа - железа в гамма - железо, в общем случае мы всегда получаем комбинированное строение С., состоящей иза) твердого раствора углерода в альфа - железе и б) либо распавшегося твердого растаора, либо твердого раствора углерода в гамма - железе; при этом количественное соотношение той и другой формы строения в данном объёме изменяется в зависимости от скорости охлаждения в пределах от О до 100%. Совместное существование различных форм строения С. неизбежно связывается с развитием в металле скрытых напряжений большей или меньшей величины.
2. Свойства С., соответствующие различным формам строения, получаем, при быстром охлаждении. Наиболее замечательны сами по себе и наиболее отличны от свойств обычной С.— свойства С., охлажденной с такой скоростью, при которой основной формой строения является твердый раствор углерода в альфа-железе. Закаленная С., имеющая однородное строение этого твердого раствора при достаточней концентрации углерода (>0,5%). может быть рассматриваема, как тело черезвычайно твердое, совершенно упругое, не выдерживающее никакой пластической деформации и совершенно хрупкое, ломающееся внезапно без предварительного смещения (перетекания) частиц, при нагрузках случайных, в сильной степени зависящих от величины внутренних напряжений в закаленной С. Так, закаленные образцы, например, рессорной С., вырезанные из одного и того же куска С., разрушались при испытании: один образец при
60 ьгр./кв. миллиметров. (сильные внутренние напряжения), второй образец при 180 килограммр./кв. миллиметров. (незначительные по величине внутренние напряжения). Трудно получаемое для обыкновенной С. строение с преобладающей формой твердого раствора в гамма-железе связывается обычное сильным понижением магнитных свойств С. — в конечном итоге, при получении сплошного стооения решетки гамма-железа С. становится совершенно немагнитной. В отношении механических свойств такая С. является материалом средней твердости, вязким, недостаточно упругим.
С., имеющая преимущественное строение распавшегося раствора с черезвычайно мелким распределением образовавшихся при распадении раствора частиц карбида железа, отличается от обычной С. своей повышенной твердостью, повышенной прочностью, хорошим сопротивлением износу и истиранию.
Возникает вопрос, какая же из форм строения, получаемых при оыстром охлаждении С., представляется технически наиболее желательнойе Пользуясь метопом исключения формы, заведомо непригодной, хрупкой, и формы, практически недостижимой для обыкновенной С. без специальных приме сей, приходим к выводу, что наивыгоднейшей из трех является форма строения распавшегося раствора.
Но, как указывалось выше, получение такой формы строения С. путем одного только быстрого или ускоренного охлаждения—задача черезвычайно гадательная: малейшее изменение условий охлаждения влечет за собой получение нектортто избытка соседних форм, то есть заметной степени дифференциации распавшегося раствора, с одной стороны, твердого раствора в альфа-железе—с другой стороны.
Поэтому, металлургическая практика, значительно опередив теоретическое обоснование процессов термической обработки, нашла иной путь получения наивыгожнейшего строения С. Этот путь заключается в перемене самого направления изменения теплового состояния: вместо фиксирования известного строения С. при определенной скорости охлаждения более практичным оказалось получение аналогичного же строения при в~«)ич-ном нагревании С., предварительно охлажденной настолько быстро, чтобы сохранилось строение действительного твердого раствора углерода в альфа-железе. Нагревая С., сохранившую строение твердого раствора, постепенно и осторожно, получаем возможность: 1) создать условия для прохождения того процесса выхода атомов углерода из раствора и образования частиц карбида, который был задержан благодаря быстрому охлаждению; 2) регулировать самый процесс распадения твердого раствора и объединения частиц карбида—останавливая нагревание на известной температуре, соответствующей желательной для нас степени развития процесса. При таком способе придания С. наивыгоднейшего и наиболее однородного строения легко может быть достигнута цель, недостижимая почти при использовании только однеге охлаждения С. без последующего нагревания. Испытание механических свойств С., обработанной подобным образом со вторичным нагреванием после быстрого охлаждения, подтвер-ждает все вышесказанное. Действительно, свойства С. изменяются все время, следуя за изменением температуры нагрева С. после закалки.При малых степенях „отпуска“ — так называемым эта операция на практике,—получается материал с высокими упругими свойствами (влияние свойств твердого раствора), но недостаточным запасом пластичности. Дальнейшее повышение температуры отпуска влечет за собой постепенное понижение упругих свойств и соответствующее возрастание свойств пластических. При такой температуре нагрева С. при отпуске, при которой частицы карбида получают возможность более или менее свободно перемещаться, а также при достаточно продолжительной выдержке при этой температуре, получаем свойства, близкие к свойствам С., имевшимся первоначально, до термической обработки, но заметно „улучшенные“, благодаря чему и самая операция получила название в Германии „Vergii-ten“—улучшения.
Т. обр., термическая обработка (тепловая) С. должна составляться, в общем случае, из двух совершенно отдельных операций: 1) закалки, то есть .;агрева до температур, достаточно высоких для того, чтобы в С. все железо перешло в форму гамма-железа, и быстрого охлаждения от этой температуры, с целью получения преимущественной формы строения твердого раствора углерода в альфа-железе, и 2) отпуска—нагрева до температур сравнительно низких (от 150° до 650°С), с целью получения однородного строения распавшегося твердого раствора с различной степенью дифференциации продуктов распадения раствора.
3. Наклеп С. (холодная механическая обработка давлением). Подобного же рода изменение свойств С., как и при термической обработке, может бытьдостигнуто путем известной степени деформирования куска С. в холодном состоянии. При этом, в особенности для малоуглеродистой С., наблюдается значительное повышение упругих свойств и понижение свойств пластических. Примером может служить волочение проволоки, которым достигается повышение упругости С. в 5—6 раз при соответствующем палении пласти ческих свойств Механизм воздействия наклёпа на строение и свойства С. недостаточно изучен.
4. Отжиг С. Переходя к области обычного охлаждения С., соответствующего условиям О=и & Vr (смотрите диагр. фигура 22), мы снова сталкиваемся с возможностью получения неоднородного строения С., являющегося в этом случае следствием двух причин: 1) получения различной степени роста образований карбида железа в разных областях изделия, 2) получения различной величины зерна (кристаллических областей с одинаковой ориентировкой осей) структурных составляющих С. И то и другое обстоятельство влечет за собой изменение свойств С. в худшую или лучшую сторону.
Практически возможны два случая: во-первых, когда изделие, изготовленное из С., применяется без дальнейшей термической обработки; во-вторых, когда изготовленное изделие подвергается, с целью получения наивыгоднейших свойств, термической обработке. В том и другом случае представляется необходимым придать металлу известную стелен“ однородности строения и свойств, что и дости гается путем применения операции тепловой обра ботки, состоящей из нагревания до известной температуры и последующего спокойного охлаждения более или менее замедленного. Подобного рода операции тепловой обработки носят название: „отжига“ (Annealing, rccuit, GHihen) при охлаждении достаточно медленном, „нормализации“ (normalisation) при охлаждении в атмосферном воздухе, „отжига при низких температурах“ (lonnealing), если температура нагрева не превышает температуры превращения, совершающегося в С. при нагревании.
Отжиг, как предварительная операция, подготовляющая С. к дальнейшей термической обработке, выполняется так, чтобы металл получил наибольшую мягкость и наибольшую вязкость, соответствующую наиболее равномерному и мелкому распределению структурных составляющих С. Отжиг, как окончательная операция, выполняется несколько иначе, учитывая то обстоятельство, что свойства материала должны проявить себя в безболезненной и долговременной работе изделия. В этом случае вырабатывается некоторая вполне определенная последовательность скоростей охлаждения С., соответствующая получению равномерного строения и несколько повышенных упругих свойств.
В том и другом случае температура нагрева выбирается немного превышающей температуру превращения альфа-железа в гамма-железо.
5. Обработка поверхностного слоя стальных изделии. Во многих случаях практики машиностроения приходится, с целью наибольшего использования С. как машиностроительного материала, прибегать к таким способам обработки С., которые позволили бы нам получить сочетание в одном и том же изделии совершенно различных свойств металла. Так, например, при изготовлении автомобильных шестерен необходимо, чтобы материал трущихся поверхностей зубцов обладал наиболее высокой твердостью и способностью сопротивляться истиранию, в то же самое время внутри шестерни, претерпевающей в работе очень большие напряжения под действием сил постоянных и мгновенных (удары), металл должен иметь значительную вязкость, однородность строения, при достаточно высоком сопротивлении ударам.
Задача сочетания различных, часто лаже взаимно исключающих свойств в одном и том же куске металла решается практически различными путями: 1) применением соответственно разработанных и видоизмененных условий термическойобработки, 2) применением совершенно особых операций обработки, связанных с изменением химического состава отдельных слоев металла.
В п-рвом случае применяются такие способы нагревания С., которые дают возможность получать тгмпооатуру. необходимую для закалки лишь в некотором слое металла, более или менее глубоком, внутри же металл должен иметь более низ кую температуру, недостаточную для закалки Подвергая быстрому охлаждению нагретое таким образом изделие, получают в результате известную степень закаленного состояния в повеохност-ном слое, постепенно переходящего в состояние незакаленное во внутренних областях изделия. Применение этого способа обработки возможно лишь в очень хорошо оборудованных термине ких мастерских с хорошо регулированными печами при точном измерении температу ы рабочего пространства печи, поверхности нагреваемого изделия, закалочной ванны, а также при точном измерении времени выдержки изделия в печи. В обычных же условиях работы способ этот не применим.
При обработке поверхностного слоя металла с изменением его химического состава используется явление диффузии, т.-е способности атомов одного тела распространяться среди кристаллических решеток другого тепа; явление диффузии может быть использовано во всех тех слу чаях, когда вводимое тело обладает стремлением к растворению в основном теле Но и в случае отсутствия этого стремления можно осуществить распространение атомов при том условии, что оба эти тела способны давать какие-либо определенные соеди нения-в этом случае играет роль особая разновидность пиффузии—.диффузия реакций“.
Практическое осуществление получили следующие способы обработки поверхности стальных изделий: О
а) цеиентаии “, насыщение поверхностного слоя С. углеродом; б) нитрирование. насыщение поверхностного слоя С азотом, в) алитирование, на сышеиие поверхностного слоя С алюминием.
Цементация стальных изделий тоебует для своего выполнения: известной среды, окружающей металл и способной отдавать свой углерод С, известных температурных условий, известной продолжительности во времени Наиболее подходящей для отдачи углерода металлу средой являет ся смесь газов СО и СО,; освобождающийся при диссоциации СО, протекающей по известному уравнению 2 СО= СО, 4- С, углерод поглощается железом, переходя в твердый раствор, концентрация атомов углерода в котором будет на поверхности все время повышаться ао тех пор, пока не достигнет своей предельной величины, определяемой -температурой нагрева металла
Обычно, для генерации газовой среды вокруг обрабатываемого иэлепия применяется смесь хорошего древесного угля (березового) с углекислы ми солями какого-либо из металлов, калия, натрия или бария.
Температурные условия цементации устанавливаются на основании следующих соображений: I) С должна быть нагрета до такого состояния, которое вполне обеспечивало бы возможность раствэрения углерода в железе, другими словами, все железо в С. должно находиться в форме гам ма-желгза; 2) принимая во внимание необходимость осуществления явления диффузии атомов углерода от поверхностного слоя вглубь металла, при выборе температуры следует руководствоваться также зависимостью скорости диффузии углерода в железе от температуры.
При рационально установленной температуре Цементации, которая при обоаботке малоуглеродистой С. приближается к 9 0°-95Св. должно установиться известное закономерное соотношение между скоростями двух процессов, составляющих сущность операции: процессом накопления атомов углерода на поверхности металла, с одной стороны, и процессом диффузии атомов углерода вглубь от поверхности—с другой стороны. В случае слишком малой скорости диффузии(недостаточная температура, недостаточная продолжительностьвыдержки при нагреве, слишком быстрое нагревание! наблюдается повышенная концентрация углерода на поверхности и слишком резкий переход от цементованного слое к основному металлу, 6л годаря чему цементованный слой становится непрочно сидящим на изделии и легко дает отка лывние отдельных частей наподобие скорлупы. Наоборот, при слишком быстрой диффузии (через мерная температура нагрева) наблюдается другая крайность - недостаточное содержание углерода в поверхностном слое, а следовательно и недостаточная твердость поверхности после закалки ие ментованного изделия. И тот и другой недостаток легко устраняются соответствующим подбором температурных условий в каждом отдельном слу чае выполнения цементации.
Продолжительность операции является вели чиной, зависящей от требующейся глубины ценен тованного слоя и определяется в конечном счете скоростью диффузии при заданных температурных условиях. Наиболее распространенным случаем является получение глубины цементованного слоя около 1 миллиметров., постигаемой при продолжительности операции 2-3 часа
Само собой разумеется, что введение углерода в поверхностный слой С имеет смысл только в том случае, когда в обрабатываемом металле содержание углерода достаточно мало.
После насыщения поверхностного слоя металла углеродом производится обязательно полная термическая обработка изделия, причем условия этой обработки вырабатываются т. обр., чтобы в первую очередь было придано желательное строение малоуглеродистому сердечнику и затем уже пополнительными операциями, производимыми при более низких температурах, придают необходимое строение и свойства поверхностному слою.
б) Нитрированыв стальных изделий разработано лабораторией заводов Круппа в Германии. Основою этого процесса является введение избыточного азота в повеохностный слой С., получение определенного соединения азота с железом, нитрида железа, и твердого раствора азота в железе-альфа. Результатом операции является презвы-чайное возрастание твердооти обрабатываемого слоя. Преимущества перед цементацией—отсутствие необходимости производить после нитрирования термическую обработку изделия, связанную с изменением размеров, короблением и растрескиванием изделия.
в) Алитированы“, или насыщение поверхностного слоя стали алюминием—также процесс, разработанный лабооаторией заводов Круппа в Германии. Основой процесса является образование на поверхности твердого раствора железа в алюминии. обладающего весьма ценным практическим свойством—устойчивостью от окисления при нагреве до высоких температур. Обработанные алитированием изделия оказываются во много раз более стойкими даже при очень высоких нагревах при сравнении их с обычными стальными изделиями.
6. /7фактическое выполнение различных опера-к ий термической обработки. При выполнении на практике различных операций термической обработки необходимо знать: 1) химический состав и основные фиэико химические свойства С.; 2) цель термической обработки данного изделия; 3) величину, размеры и вес изделия.
Главнейшими физико-химическими свойствами, имеющими большое значение для термической об работки, являются: а) температуры превращений, испытываемых С. данного химического состава как при нагревании, так и при охлаждении, эти темпеоатуры обычно называют .критическими точками“ С., б) скорости отдельных процессов, из которых слагается пр вращение, испытываемое С. при нагревании, а, следовательно, и при охла ждении.
Критические точки чистого железа были указаны выше; они обозначаются: пои 769°— Аг «магнитное превращение), при 9С6°— А, (превращение в гамма-железо и обратное), при 1400° — А, (превращение в дельта-железо и обратное). Введение ь С.
примесей, так или иначе реагирующих с железом, неизбежно отражается на положении критических точек; различие между отдельными примесями заключается лишь в том, что одни примеси изменяют положение критических точек сильно и заметно, другие—почти неуловимо для наших измерительных приборов; одни примеси повышают критические точки, другие, наоборот, вызывают понижение критических точек. Одной из наиболее сильно действующих примесей С. является углерод. Присутствие углерода оказывает заметное понижающее влияние на критические
Фигура 2j. Кривые нагревания стали с различным содержанием углерода, записанные термоэлектрическим методом (/. Г. Т. Berliner).
точки железа. Понижение критических точек наблюдается лишь доэвтектоидного содержания углерода— 0,80— 0,85%, так как это содержание углерода соответсгвует предельной растворимости углерода в гамма-железе при температуре критической точки. Дальнейшее увеличение содержания угле
Температура превращения эвтектоидной смеси S, соответствующая 700°—720°С, отмечается обязательно и при всех низших содержаниях углерода, так как это есть температура превращения перлита, смеси я е-
9оноэгооо
SCO
гос
600
5М
ЛСО
|
| |
| |
Е | |
|
G | |
| |
/ | |
|
| |
| |
/ | |
|
м р | |
Ч)
5/ | |
К | |
|
| |
J | |
| |
|
| |
/
/
/
/ | |
| |
|
| |
/
/
/ | |
| |
|
/
/
/
/
/ | |
| |
| |
15
Фигура 2j. Влияние углерода на положение критических точек железа (//. Scott).
рода критической точки не изменяет, т. к. предел растворимости остается все тем же, и весь избыточный углерод присутствует в форме карбида железа (или же графита при известных условиях обработки). Общий характер влияния углерода на положение критических точек представлен на фигуре 23—25. На фигуре 25 также показана кривая SE предельной растворимости углерода в гамма-железе. область между линиями GO и МО соответствует предполагаемой аллотропической форме бэта железа, являющейся, повидимому, лишь промежуточной формой при изменении кристаллической решетки гамма-железа в решетку альфа-железа.
леза и карбида железа, имеющейся в С. при всех содержаниях углерода.
Температура эта носит название „критической точки А,“.
Наиболее сильное влияние в сторону понижения критических точрк оказывают на С. две наиболее часто применяемые примеси: никкель имарганец (фигура 26 и 27). Кремний, алюминий и хром производят некоторое небольшое повышение критической точки А, понижая в то же время точку А,; вольфрам повышает значительно точку А,; ванадий понижает А, и повышает А,.
Влияние кобальта черезвычайно характерно—кобальт повышает резко А, в то же время А9 и А, также сильно повышаются. Уран почти не оказывает влияния на критические точки С.
> Энциклопедический словарь Гранат, страница > Ственно центрированной"
