3 Описание средств технического оснащения

Образцы из стали 40, С-образная диаграмма; муфельная печь, инструкция по эксплуатации; закалочные емкости с водой, маслом, песком; твердомер Бринелля, инструкция по эксплуатации; металомикроскоп, инструкция по эксплуатации; электропечь камерная лабораторная ПКЛ-1,2-12 оснащенная термоконтроллером ТК 20-1П, инструкции по эксплуатации.

4. Последовательность выполнения и обработка

экспериментальных данных

Используя "стальной" угол диаграммы состояния железо - угле­род, студент определяет критические температуры стали и обозначает их (А₁, А₂, А₃, А_ст) на диаграмме. Наносит также температурные зовы нагрева сталей под термообработку, указывая при этом получаемые структуры. Студент изучает устройство и порядок работы с муфельной печью, твердомером Бринелля, металомикроскопом.

Для определения конечного структурно-фазового состояния стали после охлаждения с различными скоростями студент, использует С-образную диаграмму изотермического распада аустенита стали 40, и проводит анализ диаграммы с указанием структурно-фазовых областей.

Студенты самостоятельно проводят термическую обработку стали 40:

Неполную закалку (образцы 1,2), полную закалку (образец 3); строят зависимость твердости от температуры нагрева под закалку.

Изучают влияние скорости охлаждения на свойства: охлаждение в воде (образец 3), охлаждение в масле (образец 4), охлаждение на воздухе (образец 5); строят кривую зависимости твердости от скорос­ти охлаждения.

Проводят технологическую операцию отпуска: низкий отпуск (образец 6), средний отпуск (образец 7), высокий отпуск (образец 8); строят график зависимости твердости стали от температуры отпуска. При анализе зависимости твердости стали от режима термической обработки студенту необходимо рассмотреть под металомикроскопом залучаемые микроструктуры, зарисовать их и сделать вывод о взаимо­связи: термообработка – структура – свойства.

5. Результаты исследования и их анализ

Полученные результаты и зависимости сравнить с данными по справочной литературе. Просчитать полученные отклонения результатов твердости по формуле

Δ = 100%,

где НВ_т – значение твердости после Т.О. по справочной литературе;

НВ – значение твердости после Т.О. по результатам измерений.

6. Содержание отчета

Отчет должен содержать:

1. цель работы;

2. краткие сведения из теории;

3. описание средств технического оснащения;

4. последовательность выполнения и обработка экспериментальных данных;

5. результаты исследования и их анализ (график зависимости твердости стали от Т.О., микроструктуры);

6. вывод по результатам работы.

7. Контрольные вопросы для подготовки к работе

1. Что такое мартенсит?

2. Что такое аустенит?

3. Что такое феррит?

4. Что такое сорбит?

5. Что такое троостит?

6. Что такое перлит?

7. Охарактеризуйте точки А₁, А₂, А₃, А_ст, А_С1, А_С3?

8. Что такое закалка? Ее виды.

9. Что такое отпуск? Его виды.

Лабораторная работа № 6 «Химико-термическая обработка стали»

1. Цель работы

Ознакомиться с основными процессами химико-термической обработки стали; изучить и охарактеризовать микроструктуру стали после химико-термической обработки.

2. Краткие сведения из теории

Химико-термическая обработка (далее ХТО) – это процесс изменения химического состава и свойств поверхностной зоны металла за счет диффузии в нее различных элементов (углерода, азота, хрома и др.) из внешней среды при повышенных температурах.

Химико-термическая обработка включает три последовательные стадии:

Образование (диссоциация) активных атомов в насыщающей среде вблизи поверхности.

Адсорбция атомов диффундирующего элемента поверхностью металла.

Диффузию насыщающего элемента вглубь металла. Процесс диффузии возможен только при наличии растворимости диффундирующего элемента в обрабатываемом металле или при образовании с ним химического соединения.

В результате химико-термической обработки образуется поверхностный слой, который отличается от исходного материала химическим составом, структурой и свойствами. Материал детали под диффузионным слоем, не затронутый воздействием окружающей среда, называют сердцевиной.

Качественной и количественной характеристикой химико-термической обработки являются толщина диффузионного слоя, распределение концентрации насыщающего элемента по толщине слоя, структура и свойства слоя (твердость, износостойкость, коррозионная стойкость и т.д.).

Наиболее распространенными видами химико-термической обработки является цементация, азотирование и цианирование.

Цементация – диффузионное насыщение поверхностного слоя углеродом в углеродосодержащей среде (карбюризаторе) при температуре выше А_С3 (~ 950⁰ С), когда устойчив аустенит, растворяющий углерод в больших количествах (до 1,3%).

Цель цементации – получение изделия с твердой и износостойкой поверхностью при сохранении вязкой, хорошо выдерживающей динамические нагрузки сердцевины (зубчатые колеса, шестерни, коробки передач).

Для цементации обычно используют низкоуглеродистые (до 0,25 % С), чаще легированные стали: сталь 10, 15, 15Х, 18ХГТ, 20ХФ, 18Х2Н4ВА.

На цементацию детали поступают после механической обработки с припуском на шлифование 0,05…0,1 мм. Во многих случаях цементации подвергается только часть детали; тогда участки, не подлежащие упрочнению, защищают тонким слоем меди (20…40 мкм).

Цементацию осуществляют в следующих средах:

- в твердом (древесный уголь + углекислые соли) – цементация в твердом карбюризаторе (10 – 25 % углекислых солей ВаСО₃ или Nа₂СО₃);

- в газовой среде – газовая цементация.

При цементации в твердом карбюризаторе атомарный углерод образуется в результате диссоциации окиси углерода при контакте со сталью.

Протекают реакции

ВаСО₃ + С → ВаО + 2СО;

Nа₂СО₃ + С → Nа₂О + 2СО;

2СО → СО₂ + С_АТ.

При газовой цементации наиболее качественный слой получается в случае использования природного газа метана (СН₄). Атомарный углерод образуется в результате диссоциации

СН₄ →С_АТ + 2Н₂.

Образующийся атомарный углерод диффундирует в аустенит и насыщает его. Скорость цементации составляет примерно 0,1 мм/час. Процесс цементации в твердом карбюризаторе длителен, трудоемок, труднорегулируем (применяется только в мелкосерийном и индивидуальном производстве) и поэтому вытесняется более прогрессивным процессом газовой цементации.

Цементацию проводят так, чтобы содержание углерода в поверхностном слое не превышало 0,8…1,0 %.. Более высокая концентрация углерода ведет к образованию значительного количества вторичного цементита, придающего слою повышенную хрупкость. Цементованный слой имеет переменную концентрацию углерода по глубине, убывающую от поверхности к сердцевине (рисунок 1, а). После медленного охлаждения от температуры цементации в структуре слоя можно различить три зоны (рисунок 2); заэвтектоидную, состоящую из перлита и цементита вторичного: эвтектоидную, состоящую из перлита и доэвтектоидную – из перлита и феррита. Количество феррита в слое непрерывно возрастает по мере приближения к сердцевине.

Рис. 1. Схема распределения углерода (а) и твердости после закалки и низкого отпуска (б) по толщине цементованного слоя:

Х_э – эффективная толщина слоя; Х_о – общая толщина слоя.

В случае цементации сталей, легированных карбидообразущими элементами (Сr, Мn, Тi и др.), в слое возможно образование карбидов глобулярной формы, способствующих повышению твердости. Карбидообразующие элементы увеличивают концентрацию углерода в поверхностном слое до 1,8…2,0 %, повышают глубину цементованного слоя.

За эффективную толщину цементованного слоя принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половины переходной (доэвтектоидной зон (до 0,45 %С), что соответствует после термической обработки НRС 50 (рисунок 1, б). Глубина цементованного слоя составляет обычно 0,5…2 мм (иногда до 4 мм).

Окончательные свойства цементованных изделий достигаются в результате термической обработки, выполняемой после цементации.

Термическая обработка часто преследует цель не только получить высокую твердость поверхности, но и измельчить зерно сердцевины и цементованного слоя, неизбежно увеличивающееся во время длительной выдержки при высокой температуре цементации.

В зависимости от назначения детали применяют различные варианты термической обработки. Менее ответственные детали подвергают закалке непосредственно с цементационного нагрева с последующим низким отпуском (рисунок 3а). Крупное зерно аустенита, выросшее в результате длительной цементации, дает грубокристаллический мартенсит в поверхностном слое и крупнозернистую феррито-перлитную структуру в сердцевине детали. Эти недостатки устраняют при использовании наследственно мелкозернистых сталей. Использование подстуживания при закалке до 750…800⁰С снижает внутренние напряжения, а обработка холодом уменьшает количество остаточного аустенита в цементованном слое.

При более высоких требованиях к структуре детали после цементации подвергают охлаждению на воздухе, однократной закалке с температуры 880…900⁰С и низкому отпуску (рисунок 3,б). При этом в сердцевине и на поверхности детали происходит перекристаллизация и измельчение зерна, однако в поверхностном слое происходит перегрев, так как оптимальный закалочный нагрев заэвтектоидной стали 750…800⁰С.

Рис. 2. Микроструктура цементованного слоя после медленного охлаждения:

1 – заэвтектоидная зона (перлит + цементит вторичный в виде тонкой светлой сетки); 2 – эвтектоидная зона (перлит); 3 – доэвтектоидная зона (перлит–темные зерна, феррит – светлые зерна)

Особо ответственные детали после цементации подвергают двойной закалке с низким отпуском (рисунок 3, в). Первая закалка с высокой температуры (880…900⁰С) измельчает зерно сердцевины и устраняет цементитную сетку в поверхностном слое, вторая закалка от более низких температур (760…780⁰С) устраняет перегрев поверхностного слоя, обеспечивает мелкое зерно в науглероженном слое и придает ему максимальную твердость. Низкий отпуск при 160…180⁰С служит для частичного снятия внутренних напряжений.

Структура цементованного слоя стали после термической обработки в поверхностном слое – отпущенный мартенсит с карбидами, сердцевина углеродистых сталей – феррит и перлит (НRС 20), а легированных – феррит и низкоуглеродистый мартенсит или один низкоуглеродистый мартенсит (в виду низкого содержания углерода он не обладает хрупкостью и имеет НRС 25…35).

Твердость цементованного слоя после термической обработки составляет примерно НRС 60. Теплостойкость слоя – 250 ⁰С.

Рис. 3. Режимы термической обработки после цементации стали

Более прогрессивным видом по сравнению с цементацией является нитроцементация – процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Нитроцементацию проводят при 860⁰С, продолжительность процесса 4…10 час, толщина слоя обычно 0,2…0,8 мм. После нитроцементации закалка производится непосредственно из печи с подстуживанием, далее проводят низкий отпуск при 160…180⁰С. Микроструктура поверхностного слоя состоит из мелкоигольчатого мартенсита и небольшого количества мелких равномерно распределенных карбонитридов. Твердость слоя после закалки и низкого отпуска НRС 60. Нитроцементации обычно подвергают детали сложной конфигурации, склонные к короблению.

Азотирование – процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом при нагреве ее до 500…750⁰С в аммиаке.

Цель азотирования – повышение твердости, износостойкости, коррозионной стойкости поверхностного слоя деталей.

Азотированию подвергают среднеуглеродистые легированные стали содержащие Аl, Сr, Мо, V и другие элементы, которые образуют с азотом стойкие и твердые нитриды: 38ХМЮА, 38ХВФЮА и др. Однако повышенное количество алюминия в этих сталях часто дает хрупкий поверхностный слой. Поэтому используются менее дефицитные стали 30ХГТ, 36ХНТМФА, 30ХТ2 и др. Твердость азотированного слоя в этих сталях ниже (НV 600…800), но он менее хрупок.

Процесс азотирования проводится чаще всего в герметических камерах в среде газообразного аммиака, диссоциирующего по реакции

2NН₃ →2N_ат + 3Н₂ .

Образующийся атомарный азот адсорбируется поверхностью стальных деталей и диффундирует в металл.

⁰С

Рис. 4. Поверхностная твердость азотированного слоя в сталях различных марок (продолжительность азотирования – 48 часов)

В зависимости от температуры и назначения применяются две разновидности азотирования: 1) твердостное азотирование (для повышения твердости и износостойкости) при температуре 500…620⁰С в течение 30…90 час; скорость азотирования составляет примерно 0,01 мм/час, оптимальная толщина слоя 0,3…0,6 мм, твердость поверхностного слоя НV 1100…1200, теплостойкость слоя 500…550⁰С; 2) антикоррозионное азотирование при 650…750 ⁰С в течение нескольких часов; толщина слоя 0,01…0,03 мм, твердость до 600 НV. Такому процессу подвергают изделия, как из легированных, так и из простых углеродистых сталей, коррозионная стойкость достигается за счет образования сплошного слоя ε – фазы на поверхности изделия; ε – фаза имеет высокую стойкость против коррозии на воздухе, в воде, в водяном паре.

При азотировании в поверхностном слое создаются остаточные напряжения сжатия, что резко повышает усталостную прочность изделий. Поэтому для повышения усталостной прочности используют азотирование деталей из различных по составу легированных конструкционных сталей (рисунок 4). Твердость их относительно низка (НV 600…800).

Значительное сокращение времени азотирования (до 1,5…3 часа) достигается при ионном азотировании, когда между катодом (деталью) и анодом (контейнером установки) возбуждается тлеющий разряд. Происходит ионизация газа и ионы азота, бомбардируя поверхность катода, нагревают его до температуры насыщения.

Рис. 5. Режим предварительной термической обработки и азотирования стали

Рис. 6. Микроструктура азотированного слоя легированной стали

Азотирование является окончательной обработкой. Поэтому детали проходят термическую обработку до азотирования для придания необходимых механических свойств сердцевине деталей, а также для подготовки структуры с целью получения наилучших свойств азотированного слоя. Обычно такая термическая обработка сводится к закалке с высоким отпуском (улучшению). После такой термической обработки металл приобретает структуру сорбита, имеющего высокую прочность и вязкость. Эта структура сохраняется в сердцевине детали и после азотирования (рисунок 5). Азотированию для достижения износостойкости подвергают цилиндры двигателей насосов, шестерни, копиры станков, втулки, клапаны двигателей внутреннего сгорания, матрицы и пуансоны штампов и всевозможные детали для повышения коррозионной стойкости (болты, гайки, петли и т.д.).

Недостатком азотирования является хрупкость азотированного слоя.

После азотирования проводят окончательное шлифование или доводку. Иногда совмещают процессы азотирования и отпуска.

Микроструктура азотированного слоя состоит из белого нетравящягося слоя нитридов на поверхности и сорбитообразной структуры в сердцевине (рисунок 6).

Цианирование – диффузионное насыщение поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом.

Цель цианирования – повышение твердости, износостойкости, усталостной прочности деталей машин, а также твердости, износостойкости и теплостойкости инструмента. Цианирование проводят, в основном, в расплавленных цианистых солях (NаСN, КСN). Цианистый натрий (цианистый калий), окисляется кислородом воздуха и происходят следующие реакции:

На поверхности ванны:

2NаСN + О₂ → 2NаСNО;

2NаСNО + О₂ → Nа₂СО₃ + СО + 2N_ат;

Fе(N).

В глубине ванны:

4NаСNО = Nа₂СО₃ + 2NаСN + СО + 2N;

2СО →СО₂ + С_ат;

Fе(С).

Выделяющийся атомарный углерод и азот диффундируют в сталь, образуя цианированный (карбонитридный) поверхностный слой.

Технологические процессы разделяются на высокотемпературное и низкотемпературное цианирование.

Высокотемпературное цианирование проводят при температуре 820…870⁰С и применяют для деталей из конструкционных мало- и среднеуглеродистых и легированных сталей. Диффузионный слой толщиной 0,2…0,5 мм получается за 1,5…6 часов, при этом поверхностный слой в большей степени насыщается углеродом (до 0,8…1,2 %) и в меньшей степени азотом (0,2…0,3%). После высокотемпературного цианирования детали охлаждают на воздухе, а затем проводят закалку и низкотемпературный отпуск.

Микроструктура цианированного слоя после высокотемпературного цианирования аналогична микроструктуре цементованного слоя. После закалки на поверхности образуется мартенсит с равномерно распределенными карбонитридами. Твердость цианированного слоя после термообработки НRС 65, теплостойкость слоя – 250 ⁰С.

Процесс цианирования по сравнению с цементацией требует меньшего времени для получения слоя заданной величины, характеризуется значительно меньшими деформациями и короблением деталей сложной формы и более высоким сопротивлением износу и коррозии.

Недостатком цианирования является высокая стоимость, ядовитость цианистых солей и необходимость в связи с этим принятия специальных мер по охране труда.

После цианирования детали приобретают матовую красивую поверхность, поэтому цианистые ванны часто используют для придания "товарного" вида продукции. Для этого детали достаточного нагреть под закалку в цианистых ваннах без выдержки.

Низкотемпературное цианирование проводят при 540…560⁰С и применяют для улучшения режущих свойств и повышения теплостойкости окончательно термически обработанного инструмента из быстрорежущей стали и ее заменителей. При низкотемпературном цианировании инструмента из стали марки Р18, Р6М5 и др. в течение 0,5…3 часа получается слой 0,03…0,05 мм. Микроструктура цианированного слоя представляет собой смесь мартенсита и карбонитридных фаз. Твердость этого слоя НRС 65, теплостойкость 630⁰С, износостойкость слоя выше в 1,5 – 2 раза по сравнению с износостойкостью деталей, прошедших обычный режим термической обработки.