Файл: Сичиков, М. Ф. Металлы в турбостроении.pdf

торого времени, затем извлекают из печи, охлаждают и измеряют величину остаточного прогиба /ост, которая позволяет определить остаточное напряжение ot в момент окончания выдержки в тече­ ние времени t:

После измерения остаточного прогиба пружине вновь сооб­ щают прогиб, строго равный по величине первоначальному / 0, но представляющий собой сумму упругого и остаточного, пласти­ ческого прогиба, и вновь помещают в печь при той же температуре, что и в период времени і. На основании результатов многократ­ ного повторения описанной операции строят кривую релаксации в координатах напряжение—время.

М Е Т А Л Л Ы А ЗО ТИ РУ ЕМ Ы Х ДЕ Т А Л ЕЙ

Азотирование является одним из видов химико-термической обработки. От термической обработки химико-термическая обра­ ботка отличается тем, что после ее осуществления изменяется не только структура металла, но и химический состав его поверх­ ностных слоев в результате введения различных химических эле­ ментов. Такая обработка позволяет получить металлические изде­ лия с существенно отличающимися свойствами основной части сечения и поверхностного слоя: например, сердцевину с умерен­ ной прочностью и высокой пластичностью и поверхностный слой с очень высокой твердостью и износостойкостью. Разработаны и используются в машиностроении различные виды химико-тер­ мической обработки: цементация, при которой поверхностные слои металла обогащаются углеродом; азотирование с насыщением металла азотом; цианирование, характеризующееся обогащением металла одновременно азотом и углеродом, и др.

Для химико-термической обработки металлическое изделие помещают в среду, богатую элементом, которым должны быть насы­ щены поверхностные слои. Широко распространена химико-тер­ мическая обработка в газовых средах, состоящих из различных соединений насыщающего элемента. Такая обработка состоит из трех процессов -— диссоциации, абсорбции и диффузии. Диссо­ циация происходит в газовой среде и представляет собой распад молекул тех или иных соединений с выделением активных атомов насыщающего элемента. Абсорбция — поглощение этих активных атомов в момент их выделения — происходит в местах соприкос­ новения металлической поверхности.с газовой средой. Диффузия представляет собой процесс проникновения насыщающего эле­ мента от поверхности в глубину металла.

Глубина обогащенного диффундирующим элементом поверх­ ностного слоя металла и концентрация этого элемента зависят от интенсивности указанных трех процессов. Степень диссоциации

264

в газовой фазе определяет количество насыщающего элемента, которое может быть поглощено металлом. Если интенсивность процесса диссоциации низка, то этого количества будет недоста­ точно'для придания поверхности металла требуемых свойств. При недостаточно активной абсорбции поверхность металла будет поглощать малое число атомов и концентрация o ö o fa in e H H o ro слоя будет низка. Если мала скорость диффузии, то может обра­ зоваться обогащенный слой чрезмерно высокой концентрации, но малой глубины. Наиболее высокая эффективность химико-терми­ ческой обработки обеспечивается при оптимальной интенсивности всех трех указанных процессов в их взаимосвязи.

В турбостроении используют различные виды химико-терми­ ческой обработки. Широкое применение находит азотирование, основоположником которого является известный русский ученый Н. И. Чижевский. Дальнейшее развитие его работы получили в многолетних капитальных исследованиях процессов азотирова­ ния, выполненных большой группой советских ученых: Н. А. Минкевичем, Ю._ М. Лахтиным, И. Е. Конторовичем, С. Ф. Юрьевым, А. Н. Минкевичем и др.

и пр. Азотируют детали лопаточного аппарата (в гл. Ill был опи­ сан опыт азотирования сегментов сопел). На турбинных заводах азотируют резьбу крепежных деталей, работающих при высоких температурах, для предотвращения заедания в резьбовых соедине­ ниях.

* ~ Широкому распространению азотирования в машиностроении, и, в частности, в турбостроении, способствует то обстоятельство, что металлические детали, подвергнутые азотированию, приобре­ тают новые, в основном весьма благоприятные свойства, повышаю­ щие надежность работы этих деталей. Азотирование позволяет получить высокую твердость (до НѴ 1200 и более) повёрхности деталей или отдельных ее участков; эта твердость остается доста­ точно высокой при длительном воздействии температур до 500— 600° С. Азотированные поверхности обладают значительной изно­ состойкостью и низкой склонностью к задирам при комнатных и повышенных температурах. Азотирование увеличивает сопротив­ ляемость металла воздействию переменных напряжений и снижает чувствительность к концентраторам напряжений; коррозионная стойкость многих металлов в результате азотирования повышается.

Азотирование металлов осуществляют атомарным азотом, полу­ ченным в момент разложения (диссоциации) газообразных азо­ тосодержащих соединений. В практике турбостроения и других отраслей машиностроения в качестве газовой среды используют амушак NH3.

Выполняют азотирование обычно при температурах 500—600° С в специально для этого назначения изготовляемых печах. В слу­ чае отсутствия специальной печи азотирование можно осуще­

265

ствлять также и в обычных камерных электрических печах: детали загружают в герметически закрывающиеся ящики и поме­ щают в печь, аммиак подают в ящик и отводят из него через трубки. Конструкция ящика должна обеспечить равномерное рас­ пределение аммиака и надлежащее размещение деталей. Подле­ жащие азотированию поверхности деталей должны свободно омываться аммиаком.

Штоки, валики, оси и подобные им детали, имеющие более или менее значительную длину при относительно небольшом диа­ метре, следует, во избежание коробления, подвешивать в верти­ кальном положении или укладывать горизонтально на несколь­ ких опорах. Проволока для подвески должна быть тонкой, а опор­ ные колодки иметь острую грань, чтобы поверхность контакта между азотируемой деталью и подвеской, или опорой, была ми­ нимальной.

Поступающий в печь для азотирования (или в ящики, где

и т. д. Если диссоциация аммиака протекает с недостаточной ин­ тенсивностью, то в металл попадает недостаточное количество азота вследствие того, что при этом мало количество атомарного азота, контактирующего с азотируемой поверхностью. В то же время степень диссоциации не должна быть чрезмерно высокой.

Исследования и практический опыт показывают, что если степень диссоциации аммиака превышает известный предел (раз­ личный для разных условий осуществления азотирования и зави­ сящий от перечисленных выше факторов, влияющих на степень диссоциации аммиака, а также от состава и свойств азотируемого металла), то процесс абсорбции замедляется и количество погло­ щаемого металлом азота за единицу времени уменьшается. По­ этому для конкретных условий азотирования определяют опти­ мальную степень диссоциации аммиака, которую обеспечивают, регулируя количество подаваемого в печь аммиака. Абсорбция и диффузия азота протекают по-разному в различных металлах.

Азотирование представляет собой весьма сложный процесс, дающий неравноценные результаты для различных металлов, в частности для сталей разного химического состава. Наиболее эффективным является азотирование сталей, состав которых выбран с учетом процессов, происходящих при азотировании. Такие стали называют нитралоями. В турбостроении, как и в дру­ гих отраслях машиностроения, преимущественное применение для азотируемых деталей имеет нитралой — хромомолибдено­ алюминиевая сталь 38ХМЮА следующего химического состава (в %):

266

коэффициент линейного расширения а- 10е в интервале темпера­ тур 20—600° С равен 13,81 см/(см-°С), теплопроводность при 500

и600° С соответственно 0,092 и 0,091 кал/(см-с-°С).

Всостоянии поставки сталь 38ХМЮА обычно имеет твердость НВ 160—220 и структуру, состоящую из феррита и сорбитообраз­ ного перлита. До азотирования сталь подвергают закалке в масле или в теплой воде с 900—950° С и отпуску при 600—650° С. Твер­ дость стали после закалки равна НВ 420—480, структура — мелко­ игольчатый мартенсит. После отпуска твердость снижается до НВ 270—320. Механические свойства сортовой стали 38ХМЮА после закалки и отпуска должны иметь следующие минимальные

ванием обезуглероженный слой удаляют механической обработкой. Как показывает опыт, глубина обезуглероженного слоя может достигать 1— 1,5 мм. Поэтому термической обработке подвергают детали с припусками, достаточными для того, чтобы при механи­ ческой обработке можно было, не нарушая окончательных разме­ ров деталей, полностью удалить весь обезуглероженный слой.

Большое влияние на результаты азотирования оказывает состояние поверхности деталей. После снятия обезуглероженного слоя поверхности деталей, подлежащие азотированию, шлифуют, тщательно очищают, обезжиривают и только после этого подвер­ гают азотированию.

Если азотированию подлежит не вся поверхность детали, то защиту участков, не подлежащих азотированию, можно проводить различными методами, из которых хорошо зарекомендовало себя гальваническое лужение слоем олова толщиной 0,008— 0,012 мм. Разработаны и другие методы защиты с применением менее дефицитных металлов — гальваническое цинкование, би­ металлические покрытия. В мелкосерийном производстве приме­ няют пасты, замазки и другие неметаллические покрытия, содер­ жащие жидкое стекло с различными наполнителями. В каждом конкретном случае защитные покрытия выбирают с учетом назна­ чения и условий службы азотируемых деталей, а также стоимости покрытий.

Кривые, характеризующие глубину и твердость азотирован­ ного слоя в зависимости от температуры и продолжительности

500° С в течение 48 ч дает глубину в 2 раза меньшую, чем азотиро­ вание в течение 24 ч при 500° С и 24 ч при 600° С.

267

Весьма эффективными оказались комбинированные режимы. Для стали 38ХМЮА применяют следующий комбинированный ре­ жим азотирования: нагрев до 500° С, выдержка 12 ч при степени диссоциации аммиака 15—20%, нагрев до 550° С, выдержка 8 ч при степени диссоциации аммиака 45—50%. Глубина азотирован­ ного слоя после такой обработки равна 0,35—0,50 мм, твердость — не менее НѴ 900.

Твердость азотированного слоя можно определять непосред­ ственно на изделиях вдавливанием алмазной пирамиды. Глубину

Рис. 60. Влияние температуры (в °С) и длительности і (в ч) про­

цесса на результаты азотирования стали 38ХМЮА (по данным исследований Ю. М. Лахтина):

а и б — соответственно на глубину (h в мм) и твердость азотиро­ ванного слоя (в Н Ѵ )

слоя исследуют обычно на «свидетелях» — контрольных образцах небольшой длины и сечения, изготовляемых из той же заготовки, что и азотируемые детали, и подвергаемых термической обработке и азотированию вместе с последними. Хрупкость слоя обычно опре­ деляют по виду отпечатка вдавливаемой алмазной пирамиды, ко­ торый при отсутствии хрупкого разрушения имеет, при рассмот­ рении под микроскопом, правильную форму квадрата с диагона­ лями. В случае хрупкого разрушения азотированного слоя, обна­ руживаемого при вдавливании алмазной пирамиды, для снижения хрупкости рекомендуется нагрев азотированных деталей в тече­ ние 3—4 ч при 500—625° С в атмосфере диссоциированного ам­ миака или на воздухе.

Положительной особенностью азотирования как процесса хи­ мико-термической обработки стали является то, что при рацио­ нальной конструкции и правильной технологии, предшествующей термической и механической обработкам деталей, подлежащих азотированию, последнее не вызывает значительной их деформа­ ции, коробления и пр. С. Ф. Юрьев на основе исследований дефор­ мации при химико-термической обработке, и, в частности, в про­

268