Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







ПІСЛЯ ХІМІКО-ТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ»





(тривалість роботи - 2 години)

 

МЕТА РОБОТИ

Ознайомитися з двома основними видами хіміко-термічної обробки сталей: цементацією і азотуванням. Самостійно провести процес цементації низьковуглецевої сталі 20.

Вивчити мікроструктури на готових мікрошліфах зразків: після цементації, після цементації з подальшою термічною обробкою і після азотування.

 

ОБЛАДНАННЯ І МАТЕРІАЛИ

1. Зразки вуглецевої сталі 20 для проведення цементації.

2. Електропіч з максимальною температурою нагріву 1000°С для проведення цементації.

3. Металевий контейнер з твердим карбюризатором.

4. Бак з водою для реалізації гартування зразків.

5. Щипці - пристосування для гартування зразків.

6. Прилад Роквелла для вимірювання твердості.

7. Металографічний мікроскоп МИМ-7 для вивчення мікроструктури.

8. Набір колекції мікрошліфів після цементації і азотування.

 

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ

Хіміко-термічною обробкою називається процес насичення поверхні сталі відповідним елементом з метою надання їй певних фізичних, хімічних та механічних властивостей.

Так, процес насичення поверхні вуглецем називається цементацією, азотом - азотування, алюмінієм - алітування, хромом - хромування і т.д.

Цементація полягає в дифузійному насиченні поверхні низьковуглецевих і легованих сталей (із вмістом вуглецю 0,1 - 0,3%) вуглецем з метою отримання твердої і зносостійкої поверхні виробу при збереженні в`язкої та пла-стичної серцевини. В результаті маємо вдале поєднання високого опору зносу і гарного сприйняття ударних навантажень.

Розрізняють два види цементації - у твердому карбюризаторі і в газовому середовищі. У першому процесі матеріалом для насичення є деревне вугілля в зернах величиною 5-10 мм. Для прискорення процесу цементації до деревного вугілля додають активатори - вуглецевий барій і кальциновану соду. Цементація сталі здійснюється ато-марним вуглецем, який утворюється при розкладанні окису вуглецю, отриманого при взаємодії деревного вугілля з киснем, за реакцією:

2CO → CO2 + Cатом.

Цементацію проводять при температурах вище точки АС1 - 910-930ºС, коли стійкий аустеніт, в якому розчиняється у великих кількостях вуглець. Залежно від витримки при заданій температурі отримуємо відповідно і глибину цементованого шару від 0,5 до 2,5 мм (у розрахунку 0,1 мм за 1 годину насичення) з концентрацією вуглецю на поверхні до 0,8-1,2%. Концентрація вуглецю визначається лінією діаграми «залізо-вуглець», тобто межею розчинності вуглецю в аустеніті при відповідній температурі (рис 1,а). Подальше підвищення вмісту вуглецю надає крихкості цементованому шару, а також збільшує вміст залишкового аустеніту в поверхневому шарі після гартування.

Таким чином, цементований шар має змінну концентрацію вуглецю за глибиною, що зменшується від поверхні до серцевини. Відповідно до цього після повільного охолодження в структурі цементованого шару можна виділити: заевтектоїдну зону з перліто-цементитною структурою, евтектоїдну - з перлітною структурою і доевтектоїдну зону з феритно-перлітною структурою, що плавно переходить в основу вихідної структури маловуглецевої сталі (рис.1,б). Необхідно зазначити, що цементацією досягається лише потрібний розподіл вуглецю за перерізом, і лише подальша термічна обробка (гартування і низький відпуск) остаточно формує структуру і властивості цементованого виробу. В результаті такої обробки на поверхні формується структура - високовуглецевий мартенсит відпуску (рис. 1,в). Твердість поверхні становить 58-62 HRC, а серцевини 25-35 HRC (зберігається в`язкою).

Рисунок 1 – Частина діаграми стану системи «Fe-C» (а) і схеми мікроструктури сталі після цементації: б – після цементації,
в – термічної обробки

Азотування - процес дифузійного насичення поверхневого шару сталі азотом в атмосфері аміаку при температурі від 430°С до 750°С.

NH3 → 3H + Nатом.

Азотування в промисловості застосовується з метою підвищення твердості, зносостійкості, корозійної стійкості та межі витривалості легованих сталей. Азотований шар має високу твердість-1100-1200 HV, тому на відміну від процесів цементації азотування проводять на готових виробах, що пройшли остаточну термічну обробку - гартування і високий відпуск і доведених шліфуванням до точного розміру. Твердість азотованого шару забезпечують нітриди і карбонітриди легуючих елементів, таких, як алюміній, хром, молібден, ванадій. Глибина азотованого шару залежить від часу витримки та температури азотування: при температурі 500-550 °С за 35-45 годин отримують азотований шар глибиною 0,4-0,6 мм. Щоб правильно розшифрувати мікроструктуру азотованого шару, необхідно звернутися до діаграми стану системи "залізо-азот" (рис. 2,а) і знати будову таких фаз: α - азотистий ферит, що містить у розчині 0,1% N при 591°С і близько 0,01% С при кімнатній температурі; γ - азотистий аустеніт, що існує як рівноважна фаза лише вище евтектоїдних температур - 591°С; γ' - нітрид Fe4N, фаза впровадження має ґратку гранецентрованого куба; ε – нітрид Fe(2-3)N, фаза впровадження, яка має гексагональну ґратку.

Можливо також утворення нітридів легуючих елементів - CrN, MnN і т.д. Утворені в азотованому шарі спеціальної сталі 38Х2МЮА - ε, γ', α - фази, крім азоту містять і вуглець, тому є не тільки азотистими, а й вуглецевими карбонітридами - Fe2 (NC), Fe4 (NC) і Fe3 (NC).

 

 

Рисунок 2 - Діаграма стану «Fe – N» (а) і мікроструктури азотованого шару (схема) – (б)

 

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1. Отримати зразки низьковуглецевої сталі 20, металевий ящик для зразків і твердий карбюризатор.

2. Підготувати ящик зі зразками для цементації: насипати в ящик шар карбюризатора товщиною 3-4 см і покласти три зразки, засипати шаром карбюризатора і ящик закрити кришкою.

3. Ящик зі зразками завантажити в піч, нагріту до температури 950 0С, провести ізотермічну витримку при даній температурі до отримання цементованого шару заданої глибини.

4. Ящик вийняти з печі, зняти кришку; два зразки охолодити у воді чи маслі, третій - разом із ящиком.

5. Виміряти твердість загартованих зразків на приладі Роквелла.

6. Отримати комплект мікрошліфів після хіміко-термічної обробки.

7. Дослідити мікроструктуру шліфів: після цементації, після цементації з наступною термообробкою, а також після азотування.

8. Схематично замалювати вивчені мікроструктури.

 

ЗМІСТ ЗВІТУ

Мета роботи. Основні положення (коротко). Схеми мікроструктур сталей після хіміко-термічної обробки. Висновок: аналіз впливу цементації і азотування на зміну структури і властивостей сталей.

 

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Призначення процесу цементації, азотування.

2. Марки сталей для хіміко-термічної обробки.

3. Види хіміко-термічної обробки.

4. Механізм утворення і будови цементованого шару.

5. Види цементації.

6. Процес цементації у твердому карбюризаторі.

7. Термічна обробка сталі після цементації.

8. Чим зумовлена висока твердість азотованого шару?

9. Режими азотування.

10. Мікроструктура азотованого шару спеціальної сталі марки 38Х2МЮА.


Лабораторна робота 7

 

«СТРУКТУРА ТА КЛАСИ ЛЕГОВАНИХ СТАЛЕЙ після відпалу і нормалізації»

(тривалість роботи - 2 години)

МЕТА РОБОТИ

1. Вивчити склад реактивів протруювачів, що використовуються для виявлення мікроструктури легованих сталей, і оволодіти методикою виявлення мікроструктури.

2. Вивчити мікроструктури легованих сталей у рівноважному стані (після відпалу) і після охолоджування на повітрі (у нормалізованому стані).

3. Визначити структурні класи легованих сталей на контрольних мікрошліфах, запропонованих індивідуально кожному студенту.

 

ОБЛАДНАННЯ І МАТЕРІАЛИ

 

2.1. Металографічні мікроскопи.

2.2. Колекції мікрошліфів легованих сталей після відпалу і нормалізації.

2.3. Реактиви для виявлення мікроструктури легованих сталей.

 

КОРОТКІ ВІДОМОСТІ

Легованими називають сталі, в яких для зміни структури і властивостей, окрім вуглецю, спеціально вводять в заданих концентраціях інші елементи (Nі, Cr, V, Mo, W, Co та ін.), що одержали назву легуючих.

Леговані сталі класифікують за призначенням,
структурою у рівноважному стані (після відпалювання), структурою у нормалізованому стані (після охолоджування на повітрі), хімічним складом і способом виробництва.

За призначенням леговані сталі поділяють на три групи: конструкційні, інструментальні і сталі з особливими властивостями.

Конструкційні сталі застосовують для виготовлення деталей машин, яким залежно від умов експлуатації потрібні різні механічні властивості. У зв'язку з цим змінюються їх хімічний склад, термічна обробка і підгрупа призначення.

Конструкційні сталі поділяють на: цементовані сталі для хіміко-термічної обробки (0,1-0,3% вуглецю) і нітралої (0,35-0,45% вуглецю) - сталі для азотування (наприклад, сталь 15Х, 18ХГТ, 12Х2Н4А, 38Х2МЮА, 40ХФА та ін.); поліпшувані сталі (0,3-0,5% С) - піддають гартуванню і високотемпературному відпуску (наприклад, сталь 40Х, 40ХНМА, 50ХФА, 30ХГСА та ін.); ресорно-пружинні сталі (0,5-0,7% С) - піддають гартуванню і середньотемпературному відпуску (наприклад, сталь 55С2, 65Г, 60С2А, 70С3А); зносостійкі сталі (0,9-1,1% С) - піддають гартуванню і низькотемпературному відпуску (наприклад, сталь ШХ9, ШХ15, ШХ15СГ, ШХ15СГМФ-Ш та ін.); високо-міцні конструкційні сталі з межею міцності більше
2000 МПа (0,03-0,6% С) - піддають термомеханічній обробці, гартуванню і старінню (наприклад, сталь 35Х5М2ФСА, 45ХН3МФА, 38ХН3МА, Х14Н4К14М3Т, Н18К9М5Т, Н13К15М10, 30Х9Н8М4Г2С2, 25Н24М4 та ін.).

Інструментальні сталі застосовують для виготовлення інструменту, використовуваного при механічній обробці, для обробки матеріалів холодною і гарячою деформацією і для вимірювальних інструментів.

Інструментальні сталі для різального інструменту (0,7-1,3% вуглецю) піддають гартуванню і низькотемпературному відпуску. Від сталей цієї підгрупи вимагаються не тільки висока твердість, контактна міцність і зносостійкість, але й червоностійкість, тобто збереження твердості й міцності тривалий час у процесі експлуатації (при розігріванні різальної кромки інструменту). Ці сталі, як правило, містять тугоплавкі елементи: хром, вольфрам, молібден, ванадій (наприклад, сталь ХВГ, ХВ5, Р6М3, Р6АМ5, Р6М5К5, Р9, Р18, 4Х2В5МФ, 4Х5В2ФС та ін.).

Інструментальні сталі для холодного штампування (0,5-1,1% вуглецю) повинні мати високу твердість при достатній пластичності. Їх піддають гартуванню і низькотемпературному відпуску (наприклад, сталь 4Х2В2С, 5ХВ2С, Х12Ф1, Х12М, Х12Ф4М).

Інструментальні сталі для гарячої деформації (0,3-0,5% С), крім зносостійкості, червоностійкості, в'язкості, повинні мати високу розпалостійкість, тобто тривалий час під час роботи, циклічного нагрівання й охолодження поверхні штампа, а отже, поперемінно розширення і стиснення поверхневих шарів робочої частини зберігати термостійкість і чинити опір появі розпальних тріщин. Штампи для гарячого штампування піддають гартуванню і високотемпературному відпуску (наприклад, сталь 5ХНМ, 5ХНСВ, 3Х2В8, 4Х5В2ФС та ін.).

Інструментальні сталі для вимірювального інструменту повинні мати високу твердість, зносостійкість, а також здатність зберігати точну форму і розміри тривалий час. Як правило, для вимірювальних інструментів використовують заевтектоїдні сталі (0,9-1,1% вуглецю) після гартування і низькотемпературного відпуску (наприклад, сталь Х,12ХГ,ХВГ та ін.).

Сталі з особливими властивостями мають специфічні фізико-хімічні властивості. До цієї групи відносять: нержавіючі (наприклад, сталь 10Х13, 20Х13, 40Х13, 12Х17, 12Х18Н8, 12Х18Н9Т, 08Х18Н12Б, 08Х21Н6М2Т та ін.); окалиностійкі й жароміцні (наприклад, сталь Х6С, Х10С2М, 10Х14Н16Б, 08Х18Н12Т, 40Х12Н8Г8МФБ та ін.); з особливими тепловими і електричними властивостями (наприклад, сталь ЕХ3, ЕХ9К15М, Х13Ю14, 10Х25Ю5 та ін.); антикавітаційні, кріогенні та ін. Дані сталі містять велику кількість легуючих елементів.

Леговані сталі після відпалу у рівноважному стані поділяють на шість класів: перлітовий, ледебуритний, феритний, аустенітний, напівферитний і напіваустенітний.

У перлітовий клас об'єднують сталі, що містять перліт. Це доевтектоїдні, евтектоїдні і заевтектоїдні сталі.

Сталі ледебуритного класу в литому стані містять евтектику - ледебурит, карбіди, які при куванні або прокатуванні розбиваються на відокремлені карбіди (об'ємна частка їх досягає 30-35%) і аустеніт. За структурою ледебуритні сталі слід було б розглядати як білі чавуни, але оскільки ці сплави містять менше 2% вуглецю і можуть куватися, то їх відносять до сталей.

Леговані сталі феритного класу утворюються при низькому вмісті вуглецю і великому вмісті легуючих елементів, що обмежують область існування аустеніту і розширюють область існування фериту (Cr, W, Мo, V, Si).

При всіх температурах структура таких сталей складається з легованого фериту, іноді з невеликим вмістом карбідів.

Аустенітні сталі отримують при високому вмісті таких легуючих елементів, як Ni і Мn. Проте часто структура легованих сталей складається із суміші фериту і аустеніту. Сталі, що мають таку структуру, відносять до феритно-аустенітних, або до аустенітно-феритних залежно від того, яка фаза переважає.

За структурою після нормалізації сталі поділяють на такі класи: перлітовий, мартенситний, аустенітний.

Сталі перлітового класу мають невисоку стійкість переохолоджуваного аустеніту (рис. 2,а). При охолоджуванні на повітрі вони набувають структури перліту, сорбіту або троститу, в якій можуть бути наявними також надлишкові карбіди або ферит.

 

 

Рисунок 1 - Класифікація сталей (у відпаленому стані) за структурними класами у потрійній системі залізо-вуглець – легуючий елемент: а - легуючий елемент звужує область g - фази; б - легуючий елемент звужує область α -фази

 

Рисунок 2 - Діаграма ізотермічного розпаду аустеніту для сталей трьох класів: а – перлітовий клас; б - мартенситний клас; в - аустенітний клас

 

Сталі перлітного класу - це велика група сталей, що широко застосовуються, наприклад, 30ХГСА, 40Х, 40ХН2М2, 65Г, ШХ15 та ін.

Сталі мартенситного класу відрізняються високою стійкістю переохолоджуваного аустеніту (рис. 2,б), при охолоджуванні на повітрі вони гартуються на мартенсит. До сталей цього класу відносять середньо- і високолеговані сталі з великим, як правило, вмістом вуглецю. Наприклад, це такі сталі 20Х13, 30Х13, 40Х13, Р18, Р6М5, Х12М.

Сталі аустенітного класу через підвищений вміст нікелю або марганцю (звичайно в поєднанні з хромом) мають інтервал мартенситного перетворення (Мн - Мк) нижче 0°С і зберігають аустеніт при температурі 20-25°С (рис.2,в). Розпад аустеніту в перлітовій і проміжній областях відсутній. До сталей аустенітного класу відносять сталі, леговані елементами, що розширюють g - область до температури нижче 0°С - 12Х18Н10Т, 12Х18Н9Т.

Виявлення структури полірованих мікрошліфів здійснюється методом хімічного травлення. Поліровану поверхню зразка занурюють у реактив або наносять декілька крапель реактиву на поверхню на 3-15 с до появи рівномірного матового відтінку без яких-небудь плям. Потім шліф промивають спиртом або водою і просушують фільтрувальним папером. Для сталей перлітового класу і високолегованих швидкорізальних сталей мартенситного класу для хімічного травлення застосовують 3-4% розчин HNO3 в етиловому спирті, для високолегованих сталей аустенітного класу - «царську горілку» (три частини HCl і одна частина HNО3 кислот), для високохромових сталей феритного, феритно-мартенситного і мартенситного класів - реактив, що складається з 20 см3 HCl, 5 г СuSO4 і 20 см3 Н2О. Протравлені мікрошліфи вивчають за допомогою оптичних мікроскопів для визначення їх мікроструктури. Схеми мікроструктур усіх структурних класів легованих сталей після відпалу і нормалізації з коротким описом їх основних ознак наведені в таблиці 1.

 







ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...





Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2024 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.