Матеріалознавство. Практикум Підзагальноюр едакціє юдокторатехнічнихн аук, про фе с ораА. Д. Ковал я Запоріжжя, 2011
 Скачать 4.78 Mb.
|
|
2СО → → → → С+СО 2 з утворенням атомарного вуглецю. Останній “поглинається” металом, а СО після взаємодії з деревним вугіллям відновлюється до СО. При газовійцементації використовують як карбюризатор спеціально приготовлену суміш газів (ендогаз); природний газ рідкі вуглеводні - гас, синтин, піробензол. Деталі у спеціальних пристроях завантажуються в цементаційні печі, в котрих природний газ і органічні рідини дисоціюють з утворенням атомарного вуглецю, наприклад, СН 4 → → → → С+2Н 2 Газова цементація має низку переваг порівняно з цементацією у твердому карбюризаторі: можливі механізація і регулювання насичення; менша тривалість процесу. У зв’язку з цим газова цементація використовується в масовому та серійному виробництві. Після цементації максимальний вміст вуглецю на поверхні виробів плавно зменшується в перерізі деталі від поверхні до початкового вмісту в серцевині. Наприклад, в цементованій деталі із сталі 10 концентрація вуглецю зменшується від 1,0 % на поверхні до 0,1 % в серцевині. Структура деталей, повільно охолоджених після цементації, близька до рівноважної і залежить від вмісту вуглецю: в заевтектоїдній частині шару - перлит із сіткою вторинних карбідів, в евтектоїдній - перлит, в доевтектоїдній - перлитоферитна із зростанням частки фериту в напрямку до серцевини. Зазначені структури мають низький рівень твердості, тому лише однієї цементації недостатньо для досягнення значної поверхневої твердості та високих експлуатаційних властивостей. Вони забезпечуються завершальною термічною обробкою - гартуванням та відпусканням. Узалежностівідмаркицементовноїсталі, температурицементації, призначеннядеталейіт. ін., можливітакі основнітехнологічнісхеми: − цементація, повільне охолодження, гартування від температури Ас 1 +(30...50)°С, відпускання низькотемпературне (ХТО для маловідповідальних деталей − цементація, повільне охолодження, подвійне гартування, відпускання низькотемпературне (для важконавантажених деталей відповідального призначення), перше гартування (температура вище Ас) використовують для перекристалізації та подрібнення зерен в серцевині, що виросли при високих температурі і тривалості цементації, а також розчинення цементитної сітки в заевтектоїдній зоні шару. Друге гартування (температура Ас 1 +(30...50)°С) забезпечує дрібнозернисту структуру шару та збереження дрібних глобулярних карбідів в заевтектоїдній частині шару − цементація, охолодження в печі до температури гартування сталі (Ас 1 +(30...50)°С), гартування (так зване гартування з цементаційного нагрівання), відпускання низькотемпературне.Використовується для спадководрібнозернистих сталей, що зберігають після тривалої цементації зерно в серцевині і в шарі не більше 7 балу. Ця технологія використовується після газової цементації; її головні переваги - виключення повторного нагрівання, зменшення деформації деталей, збереження енергоносіїв. Структура цементованого шару після термічної обробки - мартенсит відпущений, аустеніт залишковий, карбіди; структура серцевини - феритоперлитна (вуглецеві сталі), маловуглецевий відпущений мартенсит із феритом (леговані сталі), що пояснюється підвищеною прогартовуваністю легованих сталей. Після ХТО твердість поверхні цементованих сталей HRC ≥ 56, серцевини HRC20...45 (в залежності від хімічного складу сталі, розмірів деталі, структури серцевини). Швидкість цементації становить 0,1...0,2мм/год. Методи поверхневого зміцнення, зокрема цементація, підвищують міцність, границю витривалості, опір руйнуванню виробів, зумовленого втомою металу, що виникає під дією контактних напружень. Тріщина втоми зароджується і розвивається під дією напружень розтягу. У зміцненому поверхневому шарі, що має більший питомий об’єм 85 порівняно із серцевиною, виникають напруження стиснення (рис. 8.1, в. Внаслідок взаємодії напружень від навантаження і зміцнення (рис. 8.1, г) зменшується рівень напружень розтягу і підвищується опір втомі сталі, довговічність деталей. Рисунок 8.1 - Схема навантаження деталі типу вала) та епюри напружень від навантаження (б, поверхневого зміцнення (в, спільної дії навантаження і зміцнення(г) Азотування - процес дифузійного насичення поверхні виробів азотом. Мета азотування - підвищити твердість, зносостійкість, границю витривалості та опір корозії. В сплавах системи Fe-N (рис. 8.2) утворюються наступні фази: фаза- твердий розчин втілення азоту в α αα α -Fe з граткою ОЦК; фаза - твердий розчин втілення азоту в γγγγ -Fe з граткою ГЦК; фаза - твердий розчин на основі нітриду Fe 4 N з ГЦК граткою. фаза - твердий розчин на основі нітриду Fe 3 N з граткою ГЩП. Твердість нітридів заліза відносно невисока: γγγγ′′′′ -фази – HV 550 (HRC 50); εεεε -фази – HV 450 (HRC 44). Тому твердість вуглецевих сталей після азотування не перевищує HV600 і для азотування використовують леговані алюмінієм, ванадієм та хромом сталі. В них, окрім нітридів AlN, VN, Cr 2 N, для яких характерна висока твердість, є зони з підвищеним вмістом азоту і легувальних елементів, що створюють пружні викривлення гратки α αα α -твердогорозчину. Високодисперсні нітриди легувальних елементів та збагачені азотом, алюмінієм, ванадієм та хромом зони гальмують рух дислокацій і підвищують твердість азотованого шару легованих сталей (Н 1000...1200). Азотування конструкційних сталей проводиться при температурах нижче С - температури евтектоїдного перетворення в системі Fe-N. Використовують середньовуглецеві (0,3...0,45 С) леговані сталі 38 Х2МЮА, 30Х2Н2МФА, 40ХНМ та ін. Перед азотуванням деталі проходять поліпшення (гартування і високотемпературне відпускання), 86 щоб забезпечити вязку серцевину і підготувати структуру до азотування. Азотування при 520...560 С дозволяє сформувати шар 0,3...0,6 мм за 30...60 годин, тобто швидкість азотування складає 0,01 мм/год. Атомарний азот для насичення утворюється при дисоціації аміаку 2NH 3 → → → → 2N+3H 2 Після насичення деталі охолоджуються з піччю в атмосфері аміаку до С, а потім на повітрі. Висока твердість азотованого шару забезпечується утворенням твердого розчину втілення азоту в α αα α -Fe і , головним чином, нітридами легувальних елементів. Тому після азотування термічна обробка не виконується. Рисунок 8.2 - Фрагмент діаграми стану системи Fe-N Переваги азотування порівняно із цементацією: більша твердість поверхні, яка зберігається при нагріванні до С (твердість цементованих виробів знижується при нагріванні вище С підвищені зносостійкість, границя витривалості, кавітаційна стійкість; опір корозії в повітряній атмосфері, прісній воді і її парі; незначна деформація виробів. Недоліки азотування: повільна швидкість насичення; підвищена крихкість азотованого шару. 8.1.2Поверхневегартування. Поєднання високої поверхневої твердості, міцності та в’язкої серцевини, окрім ХТО, досягається 87 поверхневим гартуванням після газополуменевого, електроннопроменевого або плазмового нагрівання та нагрівання струмом високої частоти (СВЧ. При нагріванні СВЧ використовується явище нерівномірності розподілу змінного струму за перерізом виробу: при високих частотах струм практично проходить тільки в поверхневому шарі деталі, розігріваючи його до температур гартування. Деталь, що підлягає поверхневому гартуванню, розташовують в індукторі (один чи декілька витків водоохолоджуваної мідної трубки, який повторює форму деталі. Змінний струм, що проходить через індуктор, створює змінне магнітне поле, яке зумовлює виникнення в деталі змінного струму. З підвищенням частоти змінного струму зменшується глибина нагрітого (а потім і загартованого) шару. Наприклад, при частоті струму (0,5...1) кГц загартований шар становить (5...6) мм, при (60...250) кГц - менше 1 мм. Завдяки великій швидкості нагрівання (100...1000 °С/с), нетривалій витримці при температурі гартування досягається дрібнозерниста структура, мікронеоднорідність аустеніту за вмістом вуглецю, що дозволяє підвищити на 1...3 HRC твердість загартованої сталі після нагрівання СВЧ порівняно із гартуванням після об’ємного нагрівання. Для зміцнення використовують середньовуглецеві сталі С 35, 45, 50, Х, 40ХН та ін. При меншому вмісті вуглецю не забезпечуються вимоги щодо твердості поверхні (HRC ≥ 55); при більшому - серцевина буде мати низьку в’язкість. Перед поверхневим гартуванням здійснюють нормалізацію чи поліпшення, які забезпечують необхідні властивості серцевини. Після нагрівання СВЧ деталі охолоджуються водою в гартівній ванні або за допомогою спеціального пристрою, потім проводиться відпускання при С, іноді - самовідпускання. Після термічної обробки поверхневий шар має структуру відпущеного мартенситу (HRC 55...58), серцевина - феритоперлитну або сорбітну (HRC 20...35) структуру. Переваги поверхневого гартування порівняно із об’ємним: менший розмір зерна і підвищена твердість; незначна деформація деталі; наявність напружень стиснення в поверхневих шарах і, як наслідок, підвищена циклічна довговічність виробів. 8.2 Завданнянапідготовкудолабораторноїроботи Вивчити сутність і призначення ХТО і поверхневого гартування; сталі, що використовуються для цементації, азотування та поверхневого гартування; технологію попередньої і заключної термічної обробки; переваги поверхневого зміцнення у порівнянні із об’ємною термічною обробкою. 8.3 Контрольнізапитаннядлясамоперевіркиіконтролюпідготовленостідо лабораторної роботи Призначення ХТО та поверхневого гартування. Переваги ХТО та поверхневого гартування у порівнянні із об’ємною термічною обробкою. Процеси, які проходять при ХТО. Вплив температури насичення, тривалості процесу, хімічного складу сплаву на глибину дифузійного шару. Сутність цементації. Речовини-постачальники вуглецю. Температура цементації, оптимальна поверхнева концентрація вуглецю. Сталі для цементації. Термічна обробка виробів після цементації. Структура і властивості шару та серцевини після цементації та наступної термічної обробки. Принципи підвищення твердості, зносостійкості, міцності, опору втомі після різних способів поверхневого зміцнення. Попередня термічна обробка виробів із азотовних сталей. Сутність азотування. Сталі для азотування, температура та тривалість процесу. Структура і властивості сталей після азотування. Вплив легувальних елементів на властивості азотованого шару. Переваги та недоліки азотування порівняно із цементацією. Поверхневе гартування. Сталі, що використовуються для поверхневого гартування; термічна обробка після гартування; структура і властивості поверхневого шару та серцевини. Вплив прискореного нагрівання на структуру та властивості сталі. 89 8.4 Матеріали, інструменти, приладитаобладнання Твердомір ТК-2, мікроскоп МІМ-7; зразки сталей після цементації, азотування, поверхневого гартування після нагрівання СВЧ. 8.5 Вказівкизтехнікибезпеки Робота виконується відповідно до загальної інструкції з техніки безпеки (додаток А Порядоквиконанняроботи 8.6.1. Користуючись зразками, а також альбомами з фотографіями мікроструктур, вивчити структуру поверхневого шару і серцевини сталі 10 після цементації і повільного охолодження, після цементації і гартування; легованої сталі 38Х2МЮА після азотування; сталі 45 після гартування з нагріванням СВЧ. 8.6.2. На клиноподібному зразку зі сталі 10 (рис. 8.3), який пройшов цементацію, термічну обробку і шліфування, визначити твердість на різній відстані від поверхні. Кожним 10 мм відстані по горизонталі клиноподібного зразку відповідає відстань від поверхні 0,3 мм. Дані замірів занести в табл. 8.1. Таблиця 8.1 - Зміна твердості по глибині цементованого шару сталі 10 Твердість (HRC) на відстані від поверхні, мм Марка сталі ХТО 0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 10 1 – поверхневий шар 2 - серцевина Рисунок 8.3 - Ескіз клиноподібного зразка після цементації і термічної обробки (а) та після наступного шліфування (б) Схематично зарисувати структуру цементованого шару (після повільного охолодження і після гартування), азотованого шару і загартованого після нагрівання СВЧ шару. Позначити структурні складові. 90 Використовуючи дані про структуру, побудувати і пояснити графік “твердість-відстань від поверхні” зразка зі сталі 10 після цементації, гартування та низькотемпературного відпускання. Заповнити табл. 8.2 і проаналізувати її дані: порівняти температури і тривалість процесів, глибину зміцненого шару, структуру і твердість поверхні та серцевини. Таблиця 8.2 - Експериментальні дані Твердість, HRC(HV) Мікроструктура Марка сталі Метод зм іц н ен н я П о перед н я ТО Р ежи м Х ТО , поверх н ев ого га рту ванн я, гл и б и н а ш ару, мм Завершал ь н а ТО Ш ар у С ер ц ев и н и Ш ар у С ер ц ев и н и 38Х2МЮА 45 8.7 Змістзвіту Описати основні теоретичні положення відповідно до завдання, таблиці 8.1 і 8.2, мікроструктури (п. 8.6.3), графік “твердість - відстань від поверхні”, висновки (п.п. 8.6.4 та 8.6.5). 8.8 Рекомендованалітература [ 2 ] , с. 204-229; [ 3 ] , с. 220-248; [ 4 ] , с. 279-302; [ 5 ] , с. 222-245; [ 6 ] , с. 110-122; [ 8 ] , с. 234-281. 91 ЛАБОР АТО Р НАР ОБОТА№ 9 Вивч енняструктури, вл астив остейтапризнач ення ле го ванихстал ей Метаробот и – вивчити вплив легувальних елементів (ЛЕ) на структуру та властивості сталей, маркування і основи вибору легованих сталей для деталей та інструментів. 9.1 Загальнівідомості Значна більшість матеріалів для деталей машин та інструментів повинна мати властивості, яким повною мірою не відповідають вуглецеві сталі, тому широке використання набули леговані сталі та спеціальні сплави. Легувальні елементи в сталі додають для підвищення конструкційної міцності. Поліпшення механічних властивостей зумовлено впливом легувальних елементів на властивості фериту; тип, хімічний склад та дисперсність карбідної фази; стійкість мартенситу під час відпускання; прогартовуваність та розмір зерна. За допомогою легування можна покращити співвідношення між міцністю та в’язкістю, а також значно знизити температуру переходу сталей до крихкого руйнування. Легування підвищує твердість сталі та теплостійкість, тобто здатність сталі протистояти знеміцненню при нагріванні до підвищених температур. За допомогою легування підвищується опір зношуванню та корозії, тобто набуваються нові фізичні та хімічні властивості (зносостійкість, корозійна стійкість, жароміцність, жаростійкість, особливі електричні та магнітні властивості). 9.1.1 Впливлегувальнихелементівнаструктурутавластивостісталей Легувальні елементи, уведені в сталь, утворюють тверді розчини заміщення в гратках фериту чи аустеніту, можуть розчинятися у гратці цементиту, при цьому утворюється легований цементит МС, наприклад, (Fe,Mn) 3 C, чи спеціальні карбіди MC, M 2 C, M 7 C 3 , M 23 C 6 , M 6 C (TiC, Mo 2 C, Cr 7 C 3 ,Cr 23 C 6 , Fe 3 W 3 C) або інтерметаліди (Fe 3 Ti, Fe 3 CrMo, FeCr, Ni 3 Ti, Ni 3 (Ti,Al)). Елементами, що утворюють карбіди, є залізо, марганець, хром, молібден, вольфрам, ванадій, ніобій, титан, цирконій. Слід зауважити, що спроможність карбідоутворення зростає у приведеному ряді зліва направо. Не утворюють карбіди елементи алюміній, нікель, мідь, кобальт. Легувальні елементи, за винятком вуглецю, кисню, азоту, водню та частково бору, утворюють тверді розчини заміщення. Значне 92 спотворення гратки αααα -Fe, що супроводжує цей процес, приводить до підвищення міцності та твердості фериту та зменшення ударної в’язкості, особливо, якщо концентрація легувальних елементів перевищує 1,0…1,5 %, для Ni – 6 % риса- ударна в’язкість; б - міцність Рисунок 9.1 - Вплив легувальних елементів на властивості фериту Хром, широко розповсюджений легувальний елемент, позитивно впливає на механічні властивості сталі: зміцнює ферит та підвищує ударну в’язкість при концентрації 1,5...2%. Найбільш цінним, але досить дефіцитним є нікель, який підвищує міцність та твердість фериту, у той же час не зменшує йогов язкість та знижує температуру порогу холодноламкості. Марганець та кремній, що мають відмінну від αααα -Fe кристалічну гратку, значно підвищують міцність фериту та зменшують йогов язкість. Висока конструкційна міцність забезпечується раціональним, оптимальним легуванням. Надмірне легування знижує запас в’язкості, що полегшує крихке руйнування сталевих виробів. Найважливішим фактором, що сприяє підвищенню конструкційної міцності, є зниження, завдяки легуванню, критичної швидкості охолодження при гартуванні та зростання прогартовуваності, що усвою чергу дає можливість отримати однорідні властивості у більших перерізах. Найефективніше сприяє підвищенню прогартовуваності комплексне легування (хром+нікель, хром+нікель+молібден тощо), що забезпечує отримання високого комплексу властивостей у перерізі до 300 мм. Саме тому для великих деталей складної форми використовуються комплекснолеговані сталі. Менш різке охолодження при гартуванні в олії зменшує внутрішні напруження та можливість появи тріщин у деталях. Більшість легувальних елементів зменшує розмір зерна аустеніту, що сприяє підвищенню роботи розвитку тріщин та зниженню порогу холодноламкості. Елементи, що утворюють карбіди, а також Со та Si, затримують процеси при відпусканні мартенситу, виділення та коагуляцію карбідів під час відпускання, зберігаючи тим самим міцність сталі при нагріванні. Завдяки легуванню змінюється положення концентраційних точок |