4. Индивидуальные задания
Из трех предложенных марок обосновать и выбрать материал для изготовления заданной детали, указать его наименование, примерный химический состав и свойства № задания соответствует номеру фамилии студента в групповом журнале.
Литература: [5], с. 151-163; [6], с. 301-323.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11
Микроструктура и свойства сталей после поверхностного упрочнения
Цель работы:
1. Изучить влияние основных способов поверхностного упрочнения на
структуру металла.
2. Оценить влияние способа обработки на степень упрочнения поверхности детали.
3. Приобрести навык выбора способа поверхностного упрочнения в зависимости от марки стали и назначения детали.
1. Теоретические сведения
Разрушение металла под действием статических и динамических нагрузок, трения, усталостных напряжений и коррозии начинается обычно с поверхностных слоев. Поэтому одним из основных направлений повышения надежности и долговечности машин и механизмов является поверхностное упрочнение нагруженных деталей. Добиться этой цели можно тремя методами: наклёпом, термической обработкой и изменением химического состава поверхностных слоев металла. Последний метод упрочнения стальных деталей используют в комбинации с нагревом и называют химико-термической обработкой (ХТО).
Все виды упрочнения уменьшают абразивный износ деталей (из-за повышения твёрдости) и склонность к усталостному разрушению (из-за появления остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое).
Деформационное упрочнение (наклёп) осуществляется способом дробеструйной обработки (поверхность деталей в специальных камерах обдувают чугунной дробью диаметром 0,5 - 2мм со скоростью 20 — 100 м/с) или обкаткой шлифованными роликами из закалённой стали. Выполняется на специально оборудованных станках, типа токарных. Упрочнению подвергаются детали из низко- средне- и высокоуглеродистых сталей после окончательной механической и термической обработки. Глубина наклёпанного слоя составляет 0,2 — 0,7 мм при дробеструйной обработке и 20 - 30 мм при обкатке роликами. Структура оттого слоя характеризуется повышенной плотностью дислокаций, измельчение блоков. Максимальное повышение твёрдости (до 40 %) достигается при обработке мягких низкоуглеродистых сталей.
Упрочнение наклёпом является дешевым и производительным методом (длительность обработки 3 — 12 мин), широко используется для повышения стойкости рессор, пружин, торсионных валов, зубил и т.д. Наклёп сохраняется при нагреве деталей до 300 - 400 С.
Поверхностная закалка (закалка ТВЧ) - производится для деталей из углеродистых и низколегированных сталей с содержанием углерода 0,4 — 0,6 % после механической обработки заготовок, подвергнутых отжигу или нормализации. Нагрев поверхностных слоев до 840 - 1020°С проводится за несколько секунд с помощью токов высокой частоты (0,5 - 50тыс. Гц) в индукторе, имеющем форму детали. Последующее охлаждение струями воды приводит к закалке слоя толщиной 0,5 - 5 мм (зона нагрева выше АСз). После низкого отпуска, выполняемого для снятия закалочных напряжений, структура упрочненного слоя представляет собой отпущенный мелкоигольчатый мартенсит с твёрдостью HRC 50-60. Сердцевина детали, не прошедшая закалку, остаётся вязкой и имеет структуру троостита, сорбита или перлита с ферритом (HRC 20-30).
Этот способ используется для упрочнения деталей простой формы при массовом производстве (валики, оси, пальцы). Отличается высокой производительностью, поддаётся автоматизации. Упрочнение после закалки ТВЧ сохраняется при нагреве до 200 - 300°С.
Цементация - это разновидность ХТО, используемая для упрочнения деталей из низкоуглеродистых сталей (0,25 %С) имеющих исходную структуру феррита с небольшим количеством перлита (после нормализации или отжига).
При нагреве деталей до 910 - 930°С и выдержке при этой температуре в течение 6-12 часов в атмосфере СО или СН происходит насыщение стали углеродом (до 1-1,2 %).
Эффективная толщина цементованного слоя (от поверхности до участков с концентрацией углерода 0,45 %) составляет 0,5-1,5 мм.
Простейшая термообработка после цементации - закалка и низкий отпуск. В этом случае, структура поверхностного слоя - высокоуглеродистый мартенсит и остаточный аустенит (HRC 58-62). По мере удаления от поверхности и снижения концентрации углерода твёрдость мартенсита снижается, на глубине большей прокаливаемости стали структура переходит в троостит, сорбит и ферритоперлитную смесь с пониженной твердостью (HRC 20-15), но высокой вязкостью.
Процесс цементации сравнительно длителен, при нагреве и закалке возможно коробление деталей. В случае нагрева в процессе эксплуатации выше 200 - 230 ° С цементированный слой разупрочняется.
Азотирование - способ ХТО, используемый для упрочнения тяжело нагруженных деталей, особенно из сталей, легированных хромом, алюминием, молибденом и другими элементами (38Х2МЮА).
Насыщение поверхностного слоя детали азотом после термического улучшения (закалка + высокий отпуске и механической обработки)проводят в атмосфере NH3 при температуре 500 — 600°С. Время обработки, для получения упрочненного слоя толщиной 0,3 — 0,6 мм составляет 20-60 часов.
В структуре стали, 38Х2МЮА после азотирования различается светлый нетравящийся слой толщиной 0,01-0,03 мм из ε-γ- фаз (твердые растворы на основе нитридов с содержанием азота до 6 — 12 %), ниже- серый слой из смеси ε-γ - фаз с азотистым α - ферритом, переходящий в структуру сорбита отпуска с содержанием менее 0,015 %.
Твёрдость азотированного слоя НV =1000 - 1200 для стали 38Х2МЮА и HV = 650 - 950 для 40Х2НМА и 18Х2Н4ВА. Азотирование увеличивает коррозионную стойкость поверхностного слоя. Положительное влияние этого вида обработки сохраняется при нагреве деталей до 550 - 600 °С.
Для поверхностного упрочнения различных деталей широко используются цианирование или нитроцементация. Представляет собой комбинацию цементации и азотирования.
Борирование - способ ХТО, используемый для значительного упрочнения поверхности штампов, пресс-форм, втулок грязевых нефтяных насосов и других деталей, работающих в условиях, способствующих ускоренному абразивному износу или смятию. Насыщение поверхности металла бором (до 1 % и более) производится чаще всего путём электролиза буры (Na2B4O7)при 600 - 1050°С.
Длительность получения слоя толщиной 0,1- 0,2 мм составляет 2 - 6 часов. После борирования детали подвергают закалке и низкому отпуску. Предварительная термообработка чаще всего заключается в отжиге, для облегчения механической обработки.
В структуре упрочненного слоя наблюдается светлые нетравящиеся бориды FeB, ниже - Fe2B. Центральная зона деталей имеет структуру отпущенного мартенсита иногда бейнита, троостита или сорбита с содержанием бора менее 0,005 %. Борированный слой обладает очень высокой твердостью (σв=1800 — 2000), стойкостью по отношению к коррозии, окалинообразованию, нагреву, однако он довольно хрупкий, часто имеет пористое строение.