Дослідження глибини зміцненого шару при поверхневому гартуванні і хіміко-термічній обробці сталі.

Мета роботи: вивчення мікроструктури та властивостей сталі після хіміко-термічної обробки та поверхневого гартування.

Прилади та обладнання: набір зразків, металографічний мікроскоп.

Теоретична частина

Поверхневе гартування використовують для сталевих деталей (вміст вуглецю понад 0,4%), поверхневі шари яких при експлуатації інтенсивно зношуються, а серцевина протидіє динамічним навантаженням. Поверхневі шари нагрівають індукційним струмом (високочастотне гартування), газовим пальником (гартування полум’ям), плазмою, в електролітах, у розплавах, лазерним випромінюванням. Поверхневі шари при охолодженні загартовуваються на мартенсит, що забезпечує твердість та зносостійкість. Найбільш поширений спосіб - високочастотне гартування. Він є високопродуктивним, тому що поверхня не окислюється, не виникає перегрів.

Хіміко-термічна обробка ( ХТО) полягає у насиченні виробів вуглецем, азотом, бором, хромом та іншими елементами. Для цього деталь розміщують у середовищі з елементом, яким слід наситити метал. При певних температурах елемент дифундує у поверхневі шари деталі. Глибина проникнення елемента залежить від коефіцієнта дифузії і тривалості процесу. Основні процеси хіміко-термічної обробки: дисоціація (виділення насичуючого елемента у актив­ному атомарному стані), абсорбція (захват поверхнею металу вільних ато­мів елемента), дифузія (проникнення елемента у метал).

Цементація - процес дифузійного насичення по­верхневого шару деталей вуглецем. При цементації сталі з вмістом вуглецю від 0,1 до 0,3% (сталі 10, 15, 20, 15Х, 20Х, 15ХГНТ, 20ХФ, 30ХГТ та ін. ) відбувається насичення поверхневих шарів вуглецем до 0,8 - 1,2%, так як із подальшим збільшенням концентрації вуглецю зменшуються механічні властивості деталі ( зносостійкість, ударна в’язкість ).

При дисоціації ( перша стадія цементації ) утворюється атомарний вуглець. На другій стадії цементації ( абсорбція ) атомарний вуглець поглинається поверхневими шарами стальних деталей. На третій стадії цементації ( дифузія ) відбувається рух атомів вуглецю від поверхні в деталь. Цементація відбувається в аустенітному стані ( 900 - 950°С ), де аустеніт має найбільшу розчинність вуглецю. Орієнтовна глибина цементації в залежності від часу обробки наведена в табл.1.

Цементація сталі за допомогою твердого карбюризатора є найбільш давнім методом хіміко-термічної обробки. Карбюризатором при цьому є деревне вугілля з додаванням вуглекислих солей барію ( ВаС0₃ ) або натрію (Na₂CO₃ ). Недоліками процесу цементації твердим карбюризатором є велика трудомісткість і низька продуктивність. Однак перевагою цього процесу є відсутність потреби в спеціальному устаткуванні. Для цементації у металевий ящик з кришкою на дно насипають карбюризатор шаром 30 - 40 мм ( якщо використовують пасту, деталь намазують шаром товщиною 3 - 4 мм ) і на нього кладуть підготовлені деталі, щоб відстань між ними, а також між ними та стінками ящика становила 10 - 15 мм. Зверху деталі присипають карбюризатором шаром 30 - 40 мм, закривають кришкою, промазують місця з'єднання з ящиком вогнетривкою глиною і сушать. Ящики з деталями і карбюризатором завантажують у термічні печі і нагрівають їх до 900-950°С. За таких температур відбуваються реакції:

2С+О₂ → 2СО;

ВаСО₃ +С → ВаО+2СО;

2СО→ С+СО₂.

Цементація газоподібним карбюризатором має переваги порівняно з цементацією твердим карбюризатором, які полягають у:

• можливості механізації і автоматизації процесу цементації;

• можливості гартування деталі безпосередньо після нагріву для цементації;

• зручності контролю і регулювання товщини цементованого шару і вмісту в ньому вуглецю;

• економічності і продуктивності процесу.

Карбюризатором для газової цементації є природний газ ( 92 - 96% метану - CH₄ та окис вуглецю - СО ) , суміш пропану ( C₃H₈ ) і бутану ( С₄Н₁₀ ), керосин, піробензол. Під час цементації (карбюризатор - природний газ) відбуваються такі реакції:

СН₄ → С+2Н₂;

2СО→ С+СО₂.

У робочих камерах печей підтримують температуру в межах 900-950°С. Глибина навуглецьованого шару при газовій цементації в залежності від часу може досягати 0,5 - 1,5 мм ( табл.1. ).

При цементації з рідким карбюризатором застосовують розчини солей, наприклад 75-80% Na₂C0₃; 15% NaCl і 6-10% SiC. Солі нагрівають до 900°С і при цій температурі здійснюють цементацію. У рідких карбюризаторах цементують дрібні деталі.

Атоми вуглецю, що утворилися в результаті цих реакцій, потрапляють у решітку аустеніту і дифундують на певну глибину в поверхневі шари деталей. Ступінь насичення і глибина проникнення вуглецю так само, як і при використанні газового карбюризатора, залежать від тривалості процесу і якості карбюризатора (табл.1.).

Після цементації проводять термічну обробку ( гартування і низький відпуск ). При цементації сталей твердим карбюризатором внаслідок тривалої витримки при високій температурі утворюється крупнозерниста структура. Щоб усунути таку структуру сталь піддають подвійній термічній обробці.

Охолоджені після цементації деталі нагрівають знову до 880-900°С, піддають гартуванню або нормалізації з метою одержання дрібнозернистої структу­ри у серцевині. Потім швидко на­грівають до температури, що на 50°С перевищує критичну А_C1, тобто приблиз­но до 760-780°С, і здійснюють

Таблиця 1

Орієнтовна глибина цементації в залежності від часу обробки.

Газова цементація, Т=900-950ºC		Рідка цементація, Т=850-890ºC		Цементація твердим карбюризатором, Т=900-950ºC
час, год	Глибина,мм	час, год	глибина,мм	час, год	глибина,мм
3	0,5	1	0,4	3	0,25
4	0,6	1,5	0,6	4	0,5
6	0,8	2	0,8	6	0,9
7	1,0	3	1,0	7	1,1
8	1,1	4	1,2	8	1,3

гартування з наступним відпуском при 180-200°С. Якщо в процесі цементації росту зерен не спостерігалося, то гартувати цю сталь можна без додаткової обробки з наступним низькім відпуском.

Для захисту окремих елементів деталі від цементації, їх покривають, обмазують пастами. Внутрішні поверхні захищають від проникнення в них карбюризатора пробками. Найпростіша суміш для виготовлення пробок і обмазки - це вогнетривка ( шамотна ) глина з додаванням азбесту, рідкого скла, води.

Азотування – це процес насичення азотом поверхневих шарів деталей машин та інструментів, який застосовують з метою підвищення твердості, зносостійкості та корозійної стійкості. Азотування здійснюють при температурах - від 500 до 600°С. Азотований шар внаслідок утворення нітридів набуває високої твердості. Твердість азотованих шарів зберігається при нагріві до 500°С. Азотуванню піддають деталі після термічної обробки ( поліпшення ) і доведення шліфуванням до точних розмірів.

При азотуванні деталі вміщують у залізний муфель з електричним обігрівом, герметично його закривають і потім вводять аміак, який у муфелі розкладається:

2NH₃→ 3H₂+2N.

Атомарний азот дифундує в метал, внаслідок чого утворюються дисперсні нітриди: Fe₄N, Fe₂N, CrN, Cr₂N, MnN, TiN та ін, які надають високу твердість поверхневому шару деталі.

Азотують звичайно деталі, виготовлені з середньовуглецевих легованих сталей, що забезпечує їх більш високу твердість порівняно з вуглецевими сталями, за рахунок утворення нітридів CrN, Cr₂N, MnN, TiN та ін., а молібден ще гальмує відпускну крихкість. Найчастіше азотуванню піддають деталі, виготовлені із сталей 38ХМЮА, 38Х2ЮА, 38Х2МЮА. Швидкість проникнення азоту в метал приблизно у 10 разів менша, ніж вуглецю. У зв'язку з цим тривалість азотування становить для шару глибиною 0,25 мм - 24 год., для шару глибиною 0,4 мм - 48 год. Взагалі глибина азотування 0,25 - 0,6 мм ( тривалість процесу від 24 до 90 годин ).

Азотування використовують для збільшення корозійної стійкості сталі будь-якої марки, у тому числі вуглецевої. В цьому випадку тривалість процесу від 0,5 до 1 год при температурі 600-700°С ( глибина азотування 0,01 - 0,03 мм).

Ціанування - це процеси одночасного насичення поверхневих шарів деталей вуглецем і азотом. Для ціанування застосовують рідкі, газоподібні (нітроцементація ) та тверді середовища.

Високотемпературне рідке ціанування. Рідке ціанування здійснюють у суміші розплавлених солей, наприклад, такого складу: 30% NaCN, 50% Na₂CO₃ і NaCl. Деталі нагрівають у ванні при 830 - 950°С протягом 10 - 60 хв. Швидкість нітроцементації - 0,2 мм/год. При цих температурах у розплавлених солях відбуваються такі реакції:

2NaCN+О₂=2NaCNO;

2NaCNO+О₂= Na₂CO₃+CO+2N;

2СО=СО₂+С.

Низькотемпературне твердофазне ціанування проводиться в суміші, що складається із 40% K₄Fe(CN)₆ (жовта кров'яна сіль), 10% Na₂CO₃ (сода), решта - деревне вугілля. Температура процесу 540 - 560ºC, швидкість - 0,02 мм/год.

Високотемпературну нітроцементацію здійснюють у суміші навуглецьовувальних ( 80-90% ) і азотувальних газів ( аміак - 10-20% ). Температура 840-860ºC, швидкість 0,12-0,16 мм/год. При низькотемпературній нітроцементації застосовують такий же склад газів як при високотемпературної нітроцементації, температура - 540-560ºC, швидкість – 0,02 мм/год.

Після високотемпературної нітроцементації та ціанування деталі піддають гартуванню і низькому відпуску. Після низькотемпературної нітроцементації та ціанування термічну обробку деталей не проводять.

Дифузійна металізація - це насичення поверхневих шарів металу хромом, алюмінієм, цинком, бором та іншими елементами. Здійснюють нагрівом стальних деталей у твердих або газоподібних середовищах, які містять компоненти, призначені для насичення ними поверхневих шарів. Наприклад, насичення поверхонь сталі алюмінієм називають алітуванням, а насичення хромом - хромуванням. Деталі ( труби, арматура, клапани ) після дифузійної металізації мають високу корозійну стійкість, жаростійкість, зносостійкість.

Порядок виконання роботи:

Завдання 1.

1. Отримати у викладача назву деталі та марку сталі.

2. Запропонувати режим хіміко-термічної обробки (ХТО).

3. Запропонувати режим термічної обробки.

4. Результати надати на графіку в координатах Т, ºC - час, год.

5. Визначити мікроструктуру після ХТО.

6. Зробити висновки.

Завдання 2.

1. Отримати у викладача зразок та марку сталі.

2. За допомогою металографічного мікроскопа визначити мікроструктуру та глибину поверхневого зміцнення.

3. Визначити орієнтовний режим поверхневого зміцнення.

4. Зробити висновки.

Дайте відповіді на запитання:

1. Що таке поверхневе гартування, для чого використовують цей процес, які мікроструктурні зміни відбуваються?

2. Що таке цементація, для чого її використовують?

3. Що таке азотування, для чого його використовують?

4. Що таке нітроцементація, для чого її використовують?

5. Які мікроструктурні зміни відбуваються при ХТО сталей?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №12.