Лекции по дисциплине Металловедение. Атомнокристаллическая структура металлов

• Название: Атомнокристаллическая структура металлов
• Анкор: Лекции по дисциплине Металловедение.doc
• Дата: 12.07.2018
• Размер: 453.5 Kb.
• Имя файла: Лекции по дисциплине Металловедение.doc
• Тип: Документы; #21382
• страница: 6 из 9

Средний отпуск. (350-450°). Используется при необходимости получить высокую прочность (высокий предел упругости) и удовлетворительную вязкость. Охлаждают обычно в воде для образования на поверхности сжимающих напряжений (повышают предел выносливости). Такой термической обработке подвергают пружины и рессоры.

Высокий отпуск на сорбит (500-680°). Создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали. Выдержку подбирают опытным путем для получения заданного комплекса свойств. Термическую обработку состоящую из закалки и высокого отпуска называют улучшением. Улучшению обычно подвергают конструкционные стали с 0, 3 - 0, 5% С, такая обработка повышает конструктивную прочность, уменьшает чувствительность к концентраторам напряжений, снижает температуру верхнего и нижнего порога хладноломкости. Для высоких результатов необходимо обеспечить сквозную закалку во всех течениях изделия.

Тема № 9

ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛЕЙ
Многие детали машин (валы, шестерни, кулачки и другие) выходят из строя из-за изнашивания их поверхности или из-за разрушения вследствии циклического действия нагрузки, которое также начинается в поверхностных слоях деталей. Поэтому для повышения долговечности и конструктивной прочности таких деталей необходимо повышать прочность поверхности при сохранении более вязкой сердцевины.

Одним из методов поверхностного упрочнения стальных деталей является химико-термическая обработка. Химико-термическая обработка представляет собой сочетание теплового воздействия на стальные детали с химическим. Она состоит в нагреве деталей до заданной температуры в активной, насыщенной среде: жидкой, твердой и газообразной - в результате чего изменяется состав и структура поверхностного слоя. Во время выдержки поверхность насыщается каким-либо элементом из внешней среды или обедняется им. В зависимости от того, каким элементом насыщают поверхностный слой изделия различают: цементацию (насыщение углеродом), азотирование (насыщение азотом), диффузную металлизацию (насыщение хромом, алюминием или другими элементами).

Цели химико-термическай обработки: повышение износостойкости и усталостной прочности, повышение сопротивлению коррозии и др. Для осуществления химико-термической обработки необходимо выполнение следующих условий: наличие во внешней среде насыщающего элемента активном, атомарном состоянии; растворимость насыщающего элемента в основном металле; достаточно высокая температура процесса, чтобы обеспечить большую диффузионную подвижность атомов. Любой процесс химико-термическай обработки состоит из трех элементарных процессов:

1. Получение диффундированного элемента в активном, атомарном состоянии благодаря реакциям диссоциации, протекающим во внешней среде:

2NH₃ >ЗН2 +2N(aтом).

2СО>С0₂ +С(атом).

2. Контактирование атомов диффундирующего элемента в основном металле с поверхностью стального изделия (адсорбция) и проникновение (растворение) их в решетку основного металла, железа (абсорбция);

3. Диффузия атомов насыщающего элемента в глубь основного металла.

Наиболее широкое практическое применение нашли процессы химико-термической обработки; цементация, азотирование, планирование.
Цементация сталей
Насыщение поверхности стали углеродом называется цементацией. Целью цементации является получение твердой, износостойкой поверхности за счет обогащения поверхностного слоя углеродом до концентрации 0,8-1,0 % С и последующей закалки и низкого отпуска. Различают два основных вида цементации: в твердых и газовых средах. Детали после механической обработки поступают на цементацию с припуском на шлифование 0.05-0.10мм. Если отдельные участки детали не подлежат упрочнению, то их защищают от цементации тонким слоем меди 0,02- 0,04мм или специальными обмазками (огнеупорная глина, асбест, песок, замешанные на жидком стекле и др.).

В результате цементации в поверхностном слое стали образуются железоуглеродистые фазы, соответствующие диаграмме состояния Fe - Fе_з С.

Атомарный углерод, адсорбируется поверхностью стали и диффундирует в глубь металла. Цементацию проводят при t > Аз (900-950°С), в аустенитном состоянии, когда скорость диффузии и растворимость углерода в γ-фазе железе достаточно велика. При температуре цементации структура поверхности состоит из углеродистого аустенита при медленном охлаждении происходит фазовое превращение и структура поверхностного слоя при t = 20°С состоит из 3-х зон: заэвтектоидной (П+ Ц₂), эвтектоидной ( П ) и доэвтектоидной (Ф + П) (рис.78 ). За толщину цементованного слоя обычно принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половины доэвтектоидной (переходной) зон. Оптимальные характеристики прочности цементованной стали получают при насыщении поверхности углеродом до 0,75-1,1% С.

Цементации подвергают в основном низкоуглеродистые стали 0,1-0,30% С, которые в сердцевине изделия, не подвергающиеся цементации, сохраняют высокую вязкость после закалки (08 КП, 12ХНЗА, 18ХГТ, 20Х, 20ХНМА и др.). Чем выше концентрация углерода, тем быстрее идет процесс цементации. Легирующие элементы, находящиеся в стали, изменяют растворимость углерода в аустените и влияют на коэффициент диффузии углерода при температуре цементации. Карбидообразующие элементы Cr,W, Мn и др. Понижают коэффициент диффузии углерода в аустените, но увеличивают концентрацию углерода на поверхности, несколько увеличивают толщину цементованного слоя. Никель, медь и другие карбидообразующие элементы увеличивают коэффициент диффузии углерода в аустените, но уменьшают концентрацию углерода на поверхности и поэтому уменьшают толщину слоя.

Цементация в твердом карбюризаторе. Насыщающей средой является твердый карбюризатор (древесный уголь в зернах и 20-40% активизаторы: углекислый барий ВаСОз и кальцированная вода Na₂СОз ). Детали помещают в ящики с твердым карбюризатором, ящики закрывают крышками, кромки которой обмазывают огнеупорной глиной. После этого ящики загружают в печь. При температуре цементации кислород воздуха взаимодействует с древесным углеродистым углем, образуя оксид углерода: Суг + 0₂ = 2СО . В присутствии железа окись углерода диссоцирует по уравнению 2СО —> CO₂ + С атомарный

Атомарный активный углерод диффундирует в аустенит С0₂ снова взаимодействует с древесным углем . ВаСОз и Na₂СОз вводятся для ускорения процесса цементации, т.к. эти соли активизируют карбюризатор, обогащая атмосферу окисью углерода:
ВаСОз + С уг → ВаО + 2СО

2СО → С0₂+ С атомарный.

Основной недостаток цементации в твердом карбюризаторе: большая длительность процесса, которая объясняется малой скоростью прогрева ящика с деталями.

Газовая цементация осуществляется в среде углеродосодержащих газов СО, СН₄, С₃Н₃ и др. Используются природные газы и газы, полученные при газификации керосина, бензина, синтина и др. Основной процесс получения атомарного углерода-диссоциации окиси углерода и метана:

СН₄ → 2Н₂ +С атом.;

2СО → С0₂ + С атом.

Цементирующий газ, приготовленный в газогенераторах, поступает в цементационную реторту с загруженными в нее деталями. Газовую цементацию часто проводят в безмуфельных и муфельных печах. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюраторе:

1.) Сокращается длительность процесса, т.к. нет необходимости в прогреве ящиков с карбюризатором;

2.) значительно упрощается последующая термическая обработка, т.к. можно производить закалку непосредственно из печи;

3.) обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процессов. Газовая цементация широко применяется при массовом производстве. Для ускорения процесса цементации повышают температуру до 1000-1050° С для наследственно-мелкозернистых сталей. Однако цементация является промежуточной операцией, которая приводит к обогащению поверхностного слоя углеродом. В следствии высокой температуры цементации и значительной длительности этого процесса в стали вырастает большое аустенитное зерно, которое приводит к получению крупнозернистой структуры и снижению ударной вязкости сердцевины деталей. Для устранения перегрева стали и получения высокой твердости и прочности цементованного слоя необходима последующая термическая обработка. В зависимости от условий работы детали и выбранной марки стали режим термической обработки может быть различен.

Для тяжело нагруженных трущихся деталей машин, испытывающих в условиях работы динамическое нагружение, когда от детали требуется не только высокая твердость поверхности, но и высокая прочность и высокая ударная вязкость применяют двойную закалку: одна для улучшения структуры сердцевины из малоуглеродистой стали; другая -для получения свойств цементованного, вьгсокоуглеродистого слоя .

Нагрев до t₁ > Асз вызывает перекристаллизацию малоуглеродистой стали в сердцевине детали и приводит к измельчению зерна, в поверхностном же слое в аустените растворяется избыточный цементит, а последующее ускоренное охлаждение предотвращает повторное его выделение.

Вторая закалка проводится с t₂ = Ac₁ +(30 - 50 °С). Мартенсит, полученный в результате первой закалки, отпускается при нагреве, образуются глобулярные карбиды, которые в определенном количестве сохраняются после неполной второй закалки в поверхностном слое. В результате поверхность приобретает структуру мелкоигольчатого мартенсита с включениями глобулярных карбидов немного аустенита остаточного. Структура сердцевины детали мелкозернистая и зависит от степени легирования стали. Окончательная операция термической обработки низкий отпуск, уменьшающий остаточные напряжения. В результате двойной закалки получают оптимальные свойства сердцевины и поверхности. Недостатки такой термической обработки: сложность и дороговизна технологического процесса, повышенное коробление при многократной закалке, возможности окисления и обезуглероживания. Детали менее ответственного назначения после цементации подвергают одной закалке и низкому отпуску.

В большинстве случаев, особенно при обработке наследственных мелкозернистых сталей применяют закалку с t = Ac₁ + (30- 50^оС). После газовой цементации часто закалку проводят непосредственно из цементационной печи после подстуживания изделий до t ₁= Ac₁ + (30-50°С). Подстуживание уменьшает количество аустенита остаточного в структуре закаленного слоя, уменьшает деформацию. Зерно сердцевины при такой обработке не измельчается, поэтому ее применяют для наследственно мелкозернистой стали.

Цементация и последующая термическая обработка повышает предел выносливости стальных деталей вследствии образования в поверхностном слое значительных остаточных напряжений сжатия. Дополнительно предел выносливости может быть повышен дробеструйным наклепом. Дробеструйный наклон ускоряет превращение остаточного аустенита в мартенсит, растут сжимающие напряжения на поверхности и, как следствие, повышает предел выносливости.
Азотирование стали
Насыщение стали азотом называется азотированием. Азотирование также, как и цементация является методом поверхностного упрочнения стали. Однако по сравнению с цементацией азотирование имеет ряд преимуществ:

1. более высокая поверхностная твердость, которая сохраняется при нагреве до высоких температур (600-650°С ), тогда как твердость цементованного слоя с мартенситной структурой сохраняется только до 200-250 °С ;

2. большая устойчивость против износа, действия знакопеременных нагрузок;

3. сопротивление коррозии в атмосфере, в воде, паре;

4. меньшая деформация и коробление;

5. не требует последующей термической обработки;

Недостатком азотирования является значительно большая продолжительность процесса, т.к. оно проводится в основном для легированных сталей и при более низких температурах по сравнению с цементацией. Азотирование широко применяется для шестерен, цилиндров мощных двигателей, многих деталей станков, втулок насосов и др. Азотирование чаще всего проводят в атмосфере аммиака NH₄, который при повышенных температурах диссоциирует

2 NH₃→ 2N (атом) + 6Н

с образованием активных атомов азота. Атомы азота адсорбируются поверхностью стали диффундируют в глубь, образуя железистоазотистые фазы.

В системе Fe - N возможно образование следующих фаз:

→- азотистый феррит 0,42 %N при 590° и 0.01%N при 20° ;

→- азотистый аустенит существует при t > 590 ° ;

→ - нитрид Fe₄ N, содержащий 5,7%N;

→ - нитрид Fe₂ N, содержащий от 8,1 до 11,1% N.

Если проводить азотирование при t₁ < 590⁰ С, то в поверхностном слое будут образовываться фазы, соответствующие диаграмме Fe-N.

Основные цели азотирования:

1. повышение твердости, износостойкости поверхности;

2. повышение усталостной прочности;

3. повышение сопротивления коррозии.

От цели азотирования зависит выбор режима процесса, а от последнего глубина и состав азотированного слоя. Различают упрочняющее азотирование и антикоррозионное.

Упрочняющее азотирование.

При насыщении железа азотом не наблюдается повышение твердости; поэтому чистое железо не подвергают азотированию. При насыщении азотом стали на поверхности образуется карбонитридные фазы Fe₄ (N,C), Fe₃ (N,C) и Fe₂ (N,C). Азот образует нитриды со многими легирующими элементами (Мn, Сг, Ti, A1, V, Мо, Zr и др.) Дисперсные твердые нитриды легирующих элементов (VN, Cr₂N и др.) препятствуют движению дислокации и тем самым повышают твердость и прочность азотированного слоя (рис.81).

При низких температурах азотирования в твердом растворе образуется сегрегация азота, при более высокой температуре дисперсные нитриды. Наиболее сильно упрочняют при азотировании нитриды A1, Сг, Мо, V (рис.81а). Упрочняющему азотированию подвергают сталь со средним содержанием углерода 0,25-0,4% С. Наибольшее упрочнение вызывает азотирование сталей, легированных Сг, A1, Ti, Мо, и др.

Если от азотированного слоя требуется высокая твердость и износостойкость, то применяют сталь типа нитралоя, легированные молибденом и алюминием.

Технологический процесс изготовления детали из стали типа нитралой предусматривает:

1.Предварительную термическую обработку (улучшение) для повышения прочности и вязкости сердцевины деталей: 1зак. = 900-950°С охлаждение в масле, высокий отпуск при t = 600-675°С, превышающий температуру азотирования;

2.Механическую обработку деталей, вплоть до шлифования;

3.Защиту от азотирования отдельных частей детали, не подлежащих азотированию, оловом (0,01 -0,015мм) или жидким стеклом;

4. Азотирование при t = 500-520°С, время выдержки для получения ? = 0,3-0.6мм от 24 до 90 часов;

5. Окончательное шлифование.

Чем выше температура азотирования, тем ниже твердость азотированного слоя, что вызвано коагуляцией нитридов легирующих элементов.

Для ускорения процесса азотирования проводят ступенчатое азотирование: 1-я стадия при t = 500-520°С, 2-я стадия при 540-600°С. Повышение температуры азотирования вызывает увеличение деформации, без существенного понижения твердости, значительно (в 2-3 раза) сокращается общее время при азотировании в тлеющем разряде (ионное азотирование), увеличивается в 1,5 раза скорость азотирования под влиянием ультразвука.
Антикоррозийное азотирование
Для повышения сопротивления коррозии стальных деталей на поверхности необходимо получить беспористый, не травящийся, антикоррозийный слой фазы (0,01-0,03мм), который стоек в атмосфере, бензине, слабых щелочных растворах. Азотирование в этом случае проводят при t = 600-700°С, продолжительность процесса 0,5-1,5 часа. Оно тоже повышает твердость, предел прочности и выносливости. Однако при этом не предъявляются высокие требования к механическим свойствам, поэтому антикоррозийное азотирование проводится при более высокой температуре и на любых сталей, даже обычных углеродистых. В зависимости от условий протекания процесса различают газовое и жидкостное азотирование. Азотирование в жидких средах называют тенифер-процесс и проводится в расплавах 40% KNC + 60% NaCN,t = 550-570°С, t = 0,5-0,3 часа. При продувании сухого воздуха на поверхности образуется 7-15мкм слой карбонитридов Fе₃(CN) с высоким сопротивлением износу. Преимущество метода незначительное изменение размеров, а недостаток: токсичность и высокая стоимость цианистых солей. Контроль качества азотирования осуществляется по твердости, по глубине слоя на образцах-свидетелях, внешним осмотром поверхности азотирования.
Нитроцементация и цианирование стали
Насыщение поверхности стали одновременно с углеродом и азотом называется цианированием. Цианирование применяют для повышения поверхностной твердости, износостойкости и установочной прочности стальных деталей. Цианирование можно производить в твердой, жидкой и газовой средах, поэтому различают жидкое и твердое цианирование, газовое цианирование называют нитроцементацией. Азот, проникая в сталь одновременно с углеродом, понижает критическую Асз, способствует интенсивному науглероживанию стали при более низкой температуре, чем при цементации. Кроме того, азот ускоряет диффузию углерода в аустените. Поэтому цианирование имеет следующие преимущества:

1.Производительность процесса планирования несколько более высокая, чем цементация за счет большей скорости процесса;

2. Более низкая температура цианирования 840-860° С способствует уменьшению деформации деталей, увеличению долговечности печного оборудования, делает возможным закалку непосредственно после цианирования;

3. Диффузионный слой, полученный в результате цианирования или нитроце ментации, имеет особые свойства, отличные от свойств только цементованного или азотированного слоев.

Для планирования чаще применяют стали содержащие 0,2-0,4% С, углеродистые или низколегированные, инструментальные, высоколегированные стали, которые подвергают планированию для повышения износостойкости. Наиболее часто встречается жидкостное планирование и нитроцементация.

Жидкостное цианирование проводится в расплавленных солях:

цианистых (NaCN, KCN,K₄[Fе(СN)₆] и нейтральных (NaCl, BaCl,NaC0₃, KCl и другие). В последнее время более широко применяют ванну, состоящую из 20-25% NaCN, 25-50% Na₂CO₃. Кислород, растворенный в жидкой ванне, вступает во взаимодействие с NaCN

4NaCN+0₂ >4NaCNO

4NaCNO + 0₂ > 2Na₂C03 + 2СО + 4N (атом)

2СО>С0₂+С(атом).

Атомарные N и С диффундируют в железо, а в результате реакций остается Na₂C0₃. Цианирование ведут при t = 820-870°C, а затем детали подвергают закалке с температуры цианирования и низкому отпуску (180-200 ° С) (рис. 82). Микроструктура состоит из тонкого слоя карбонитридов Fe₂ (N,C); Fe₃ (C,N) и азотистого мартенсита. Для получения слоя большей глубины повышают температуру цианирования (глубокое цианирование) до t = 900-950 ° С в ванне, содержащей 8% NaCN, 82% ВаСl , 10% NaCI

ВаСl₂ + 2NaCN →NaCI + Ba(CN)₂

Ba(CN)₂ → Ba(CN)₂+C(aтом).

Ba(CN) ₂ +0₂ →BaO+CO+2N (атом).

После высокотемпературного цианирования детали охлаждают на воздухе, а затем для измельчения зерна снова нагревают под закалку.

Чем выше температура цианирования, тем ближе этот процесс к цементации. Глубокое цианирование применяют вместо цементации, т.к. оно требует меньше времени для получения слоя заданной толщины, значительно меньше деформация деталей и более высокое сопротивление износу и коррозии.

Инструменты из быстрорежущих и высокохромистых сталей подвергают низкотемпературному цианированию при t = 550-600° с насыщением поверхности стали азотом. Недостатком жидкостного цианирования является ядовитость и высокая стоимость цианистых солей.