4 Завдання і порядок виконання роботи та оформлення звіту

4.1 Провести відпускання загартованої сталі при температурі 150^оС, 300^оС, 400^оС, 550^оС.

4.2 Провести вимірювання твердості сталей після відпускання і занести дані в таблицю 11.1.

Таблиця 11.1

Температура відпуску, оС	Марка сталі	Твердість, HRC		Мікрострук­тура
		до відпускання	після відпускання
150
300
450
550

4.3 За орієнтовними значеннями твердості вказати структуру сталі після відпускання.

4.4 Побудувати криву залежності твердості відпущених сталей від температури відпускання.

4.5 Вивчити під мікроскопом структури відпускання.

5 Контрольні запитання

5.1 Що таке відпускання? Яка його мета та температурні режими?

5.2 Які перетворення протікають в загартованій сталі в процесі відпускання?

5.3 З якою метою проводять низьке відпускання, при якій температурі, яка структура та властивості сталі після відпускання?

5.4 З якою метою, при якій температурі проводять середнє відпускання, яка структура та властивості сталі після відпускання?

5.5 З якою метою проводять високе відпускання, при якій температурі, яка структура та властивості сталі після відпускання?

5.6 Що таке термічне поліпшення сталі?

5.7 В чому відмінність структури гартування від структури відпускання сталі?

5.8 Як впливає структура сталі на її механічні властивості?

5.9 Як впливають легуючі елементи на стійкість мартенситу при відпусканні?

5.10 Що таке теплостійкість сталі?

Робота №12

Вивчення структури і властивостей сталей після поверхневого зміцнення методом хіміко-термічної обробки

1 Мета роботи

1.1 Ознайомитись з основами хіміко-термічної обробки мета­лів і сплавів.

1.2 Вивчити структуру зміцнених поверхневих шарів, одер­жаних після хіміко-термічної обробки.

1.3 Порівняти властивості сталі до і після хіміко-термічної обробки.

2 Прилади та технічні засоби навчання

2.1 Набір зразків сталей після хіміко-термічної обробки.

2.2 Альбом мікроструктур після ХТО.

2.3 Металомікроскоп.

3 Методичні вказівки до самостійної роботи

Опрацювати за підручником і конспектом лекцій з курсу ”Матеріалознавство” розділ “Хіміко-термічна обробка сталі”. Вникнути в суть процесу хіміко-термічної обробки.

Хіміко-термічною обробкою (поверхневим легуванням) називають обробку, яка полягає в поєднанні хімічної і термічної дії на метали і сплави з метою зміни хімічного складу, структури і властивостей в поверхневих шарах виробу.

Хіміко-термічна обробка (ХТО) сталі полягає в дифузійному насиченні поверхневого шару неметалами (С, N, Si, B і ін.), або металами (Cr, Al, Ni і ін.) в процесі витримки при певній температурі в реакційному середовищі.

Для формування дифузійного покриття необхідно забезпечити протікання трьох основних процесів:

а) утворення активних атомів насичуючого елемента на поверхні насичуваного виробу;

б) адсорбція атомів насичуючого елементу виробом;

в) дифузія адсорбованих атомів в глибину металу.

Процес утворення активних атомів насичуючого елементу забезпечується різними способами: випаровуванням; електролізом розплавлених солей; відновленням із сполук; термічним розкладанням хімічних сполук.

Адсорбція (поглинання) атомів забезпечується безпосереднім контактом насичуючого елементу з поверхнею насичуваного виробу.

Направлена дифузія адсорбованих атомів здійснюється при наявності градієнта концентрації атомів насичуючого елементу по глибині виробу, а також при забезпеченні умов для масового переміщення атомів з поверхні в глибину металу.

Звернути увагу на класифікацію методів дифузійного насичення.

Забезпечення формування дифузійного шару досягається різними технологічними прийомами відповідно до постав­леної задачі, матеріалів і умов насичення. Це лягло в основу класифікації методів дифузійного насичення, основними з яких є:

а) насичення із твердої фази – твердофазний метод;

б) насичення із парової фази – парофазний метод;

в) насичення із газової фази – газовий метод;

г) насичення з рідкої фази – рідинний метод;

Насичення в обмазках (із паст) займає проміжне положення між насиченням із твердої і рідкої фази.

Твердофазний метод дифузійного насичення металів і сплавів здійснюється шляхом нагрівання і витримування при означеній температурі в порошкових сумішах, які містять порошок насичуючого елемента без добавлення активатора. Насичення поверхні елементом проходить за рахунок її контакту з металізатором.

До цього методу відноситься плакування і гальванічне осадження з послідуючим дифузійним відпалюванням. Цей метод із-за низької продуктивності на практиці використовується рідко.

При парофазному методі насичення поверхні виробу здійснюється через парову фазу, яка виникає при нагріванні насичуючого елементу або його феросплаву до високої температури у вакуумі.

Газовий метод дифузійного насичення поверхні металічного виробу здійснюється в середовищах, що містять галогенідні сполуки насичуючого елемента, які дисоціюють на нагрітій поверхні виробу, вступають в хімічну взаємодію з нею. В результаті обмінних реакцій утворюються активні атоми насичуючого елементу які, адсорбуючись, дифундують в кристалічну гратку металу.

Розрізняють контактний і неконтактний методи газового дифузійного насичення.

При контактному методі насичуваний виріб упаковують в контейнер в порошкову суміш, яка містить насичуючий елемент або його феросплав, інертну добавку і активатор. В якості інертної добавки, призначення якої є застерегти порошок насичуючого елемента від спікання і налипання його на поверхню виробу, використовують оксиди, які не відновлюються в насичуючому середовищі. Це, як правило, оксиди алюмінію, магнію, хрому. В якості активатора найчастіше використовують хлористий амоній або хлористий магній.

При неконтактному методі утворення галогенідних сполук насичуючого елемента відбувається в окремому об’ємі, а потім з допомогою транспортного газу подаються в реакційний простір печі, в якій находяться нагріті до потрібної температури вироби, які підлягають насиченню.

Рідинний метод дифузійного насичення здійснюється в розплаві насичуючого металу, або розплавлених солях, які містять насичуючий елемент.

Рідинний метод дифузійного насичення здійснюється електролізним і безелекторолізним способами.

Дифузійне насичення із обмазок використовують при зміцненні великогабаритних виробів, або при необхідності місцевого насичення. Особливо ефективним є процес насичення із обмазок при нагріванні деталей струмами високої частоти.

Види хіміко-термічної обробки (ХТО) класифікують відповідно до насичуючого елемента.

При вивченні кожного виду ХТО зверніть особливу увагу на температуру процесу та його тривалість, середовище насичення, товщину дифузійного шару, його будову і властивості.

Цементація – насичення поверхневого шару вуглецем. Оскільки підвищення концентрації вуглецю приводить до збільшення в ній кількості цементиту, то стає зрозумілим, чому цей процес отримав назву цементації. Цементацію проводять при температурі вище критичної точки А_С3, тобто в аустенітній зоні, що пов’язано із здатністю його розчинити в собі значну кількість вуглецю. Отже, це є процес високо-температурний. Глибина проникнення вуглецю визначається міліметрами. Концентрація вуглецю в поверхневому шарі складає приблизно 1%, що відповідає вуглецевій сталі У10 . Міцності і твердості поверхневий шар набуває тільки після гартування за рахунок мартенситної структури. Після термообробки (гартування з послідуючим відпусканням) цементована деталь піддається кінцевому механічному обробленню – шліфуванню до номінального розміру.

Азотування – насичення поверхневого шару сталі азотом. Цей процес проводять нижче температури А_С1, що виключає зміну об’єму деталі за рахунок фазових перетворень, а тому термічну обробку (гартування з послідуючим відпусканням) проводять до азотування. Отже, азотування є кінцевою операцією виготовлення деталі, бо механічна обробка до заданих розмірів (чистова обробка) проводиться після термічної обробки перед азотуванням.

Твердість азотованого шару на залізі невелика ~ 300-350 HV. Тому азотуванню піддають середньовуглецеві сталі леговані Cr, Mo, V, Al. Ці легуючі елементи розчинені в фериті підвищують розчинність азоту в α-фазі і утворюють спеціальні нітриди MN і M₂N, які забезпечують поверхневому шару сталі високу твердість HV 1000-1200.

Ціанування (нітроцементація) одночасне насичення поверхні деталі азотом і вуглецем. Якщо цей процес технологічно забезпечується нагріванням деталі в розплавах ціанистих солей (NaCN, KCN) то він носить назву ціанування. У випадку, коли насичуючим середовищем є суміш газів (наприклад, природній газ і аміак), то процес називають нітроцементацією.

Борування – насичення поверхні деталі бором. Борування здійснюється слідуючими методами: газовим, рідким (електролізним і без електролізним), в обмазках із паст.

Борування газовим контактним методом проводять в порошкових сумішах на основі аморфного чи кристалічного бору, карбіду бору, феробору, боридів перехідних металів або в алюмотермічних сумішах.

Для електролізного борування використовують просушену буру (Na₂B₄O₇).

Рідке борування безелектролізним методом здійснюють на основі боратів лужних металів. В якості відновлювачів використовують алюміній, кремній, титан, марганець, лігатури і феросплави на їх основі, карбіди бору та інші.

Для газового борування використовують діборан B₂H₆ і трьоххлористий бор (BCl₃).

Досить ефективним є спосіб борування в обмазках із паст. Для приготування обмазок використовують порошки бору, карбіду бору, оксидів і в’яжучого.

Борування ведуть при температурі 850-950С. Дифузійний шар складається із боридів FeB (на поверхні ) і Fe₂B. Товщина шару залежить від хімічного складу сталі і складає 0,1-0,2 мм.

Твердість борованого шару 1800-2000 HV.

Боридні покриття володіють високою зносостійкістю, корозійною стійкістю, теплостійкістю.

Дифузійне хромування – насичення поверхні деталі хромом. Хромування здійснюється парофазним методом, газовим (контактним і неконтактним), рідким, а також в обмазках із паст.).

Завдяки своїй простоті широко використовується газовий контактний метод хромування. Його здійснюють в порошкових сумішах складу : 65-70% хрому або ферохрому, 25-30% інертної добавки, 2-5 % хлористого амонію (% масові). Насичення протікає при температурі 1100-1150С.

Перспективним являється хромування газовим неконтактним методом з нагріванням насичуваних виробів струмами високої частоти. Газову суміш одержують шляхом пропускання хлору над кусками хрому. Хлориди транспортують до виробів, поміщених в зоні нагрівання струмами високої частоти.

Ефективним є хромування у вакуумі, яке здійсюється за рахунок випаровування хрому при високій температурі. В промисловість впроваджена технологія хромування прокату у вакуумі із парової фази.

Хромований шар на вуглецевих сталях володіє одночасно цілим рядоим цінних властивостей: високою твердістю, зносостійкістю, корозійною стійкістю та жаростійкістю. В багатьох випадках хромують леговані сталі.

Дифузійний шар, одержаний при хромуванні сталі з вмістом вуглецю 0,3% і більше складається із карбідів хрому (Cr,Fe)₇C₃ і (Cr,Fe)₂₃C₆, що дозволяє називати його карбідним.

Твердість карбідного шару, одержаного хромуванням сталі, складає 1200-1600 HV.