Програма підготовки до виконання роботи

1. Вивчити теоретичний матеріал за цим посібником та поданою нижче навчальною літе­ратурою.

2. Запишіть у зошит:

а) що це таке дифузант, дисоціація, адсорбція, карбюризатор, дифузія? Поясніть яку роль вони відіграють при ХТО;

б) склад твердого і газоподібного карбюризатора? Який з них кращий? Чому?

в) яка мета цементації? За рахунок чого досягається мета при цементації?

Література

1. Атаманюк В.В. Технологія конструкційних матеріалів: Навч. посібник для вищих навчальних закладів. – К.: Кондор, 2006. С. 274 – 283.

2. Металловедение и технология металлов /Под ред. Ю.П. Солнцева. – М.: Металлургия, 1988. – С. 170 – 177.

3. Технология металлов и материаловедение /Под ред. Л.Ф. Усовой. – М.: Металлургия, 1987. – С. 208 – 219.

Завдання й методичні вказівки

1. У металевий ящик насипати шар карбюризатора товщиною 3…4 см і розмістити там три зразки розміром 101060 мм. Потім зразки засипати шаром карбюризатора і ящик закрити кришкою.

2. Ящик розмістити в печі, нагрітій до температури 1050…1100°С, нагріти і витримати при цій температурі 20 хв.

3. Ящик вийняти з печі, зняти кришку, два зразки вийняти і охолодити у воді або маслі, а третій охолодити разом з пічкою.

4. Виміряти твердість загартованих зразків.

5. Один загартований зразок розрізати, виготовити з нього мікрошліф і, після травлення 4%-ним розчином азотної кислоти в спирті, вивчити мікроструктуру.

6. Другий загартований зразок відпустити при 180…200°С протягом 1…1,5 год. і виміряти його твердість.

7. Зразок охолоджений разом з ящиком, розрізати і виготовити мікрошліф. Після травлення 4%-ним розчином азотної кислоти в спирті вивчити мікроструктуру. Одержані результати записати в табл. 18.1.

Таблиця 18.1

№ зразка	Режим		Твердість	Мікроструктура		Глибина цементації в мм
	цементації	термообробки після цементації		серцевини	цементованого шару

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Поясніть що називається хіміко-термічною обробкою та з яких трьох стадій складаються процеси ХТО?

3. Схарактеризуйте всі види ХТО, вкажіть їхню мету, технологію проведення.

4. Назвіть і схарактеризуйте інші види поверхневого зміцнення деталей, вкажіть їхню мету, технологію проведення.

Лабораторна робота № 19.

ВПЛИВ ТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ НА ТВЕРДІСТЬ

КОНСТРУКЦІЙНОЇ ЛЕГОВАНОЇ СТАЛІ

Мета: Навчитися проводити термічну обробку конструкційної легованої сталі.

Обладнання, матеріали й інструменти

Зразки сталей 38Х, 40Х, 40ХН; твердомір, муфельна піч, гартувальні посудини з маслом, наждачний папір, щипці.

КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Міцність, в’язкість, жаро- і холодотривкість, а також корозійна тривкість вуглецевих сталей є недостатніми для багатьох важконавантажених деталей машин і будівельних конструкцій; крім того, вони крихкі. Прогартовуваність вуглецевих сталей також мала у зв’язку з великою критичною швидкістю гартування, в результаті чого на мартенсит загартовується тільки поверхневий шар заготовки, а внутрішні шари загартовуються лише на троостит або сорбіт, а заготовки більших розмірів залишаються зовсім не загартованими. Таким чином, вуглецеві сталі часто не відповідають підвищеним вимогам машинобудування, і тому замість них використовують леговані сталі.

Леговані сталі – це сплави на основі заліза та вуглецю, у складі яких є легувальні елементи.

Легувальними називаються хімічні елементи, які спеціально вводять у сталь, щоб змінити її структуру та властивості. Найчастіше використовують такі легувальні елементи, як Cr, Ni, Mn, Si, W, Mo, V, Co, Ti, Al, Cu тощо. Але леговані сталі є дорожчі за вуглецеві. Тому для ефективного їхнього використання учитель, інженер повинні розуміти їх позитивні сторони і недоліки порівняно з вуглецевими.

Поєднуючи легування з термічною обробкою, можна отримати бажану структуру, а отже, й механічні, технологічні, фізичні або хімічні властивості. Як правило, застосування легованих сталей без термообробки економічно не виправдане.

Режим термічної обробки (ТО) конструкційних сталей визначається головним чи­ном вмістом вуглецю, а також залежить від кількості легувальних елементів. При цьому ТО легованих сталей порівняно з вуглецевими має свої особливості. Відмінність ТО легованої сталі полягає у виборі температур і швидкості нагрівання до цих температур, витримці при цих температурах і способах охолод­ження.

Нагрівання легованих сталей при ТО повинно бути повільнішим, ніж вуглецевих, у зв'язку із пониженою теплопровідністю лего­ваних сталей і можливістю утворення тріщин при швидкому нагріванні. Особливо обережно потрібно нагрівати деталі із ста­лей, що містять такі хімічні елементи, які мають низьку теп­лопровідність, наприклад, вольфрам.

Вибір температури нагрівання для проведення гартування, як відомо, проводиться в залежності від температур критичних то­чок. У зв’язку з цим варто нагадати, що всі легувальні еле­менти можна розділити на дві групи:

1) елементи, які підвищу­ють критичні точки А₁ і А₃ , а отже і температуру нагрівання при ТО - відпалюванні, нормалізації і гартуванні;

2) елементи, які зни­жують критичні точки.

До першої групи належать Cr, V, W, Si i iн. У зв’язку з цим відпалювання, нормалізацію і гартування сталей, які містять вка­зані елементи, проводять при більш високих температурах, ніж вуглецеві сталі.

До другої групи елементів відносяться Mn, Ni і ін.

Крім критичних точок, при виборі температури гартування, звертають увагу на схильність аустенітного зерна до росту. Як­що сталь схильна до росту аустенітного зерна, тоді температуру нагрівання під гартування вибирають поближче до критичної точки сталі (щоб виключити одержання грубозернистої структури). Од­нак це не сприяє повному розчиненню легованих карбідів в аустеніті і одержанню легованого мартенситу, який має кращі механічні властивості порівняно з нелегованим мартенситом.

Усі легувальні елементи, за винятком Mn, перешкоджають росту аустенітного зерна при нагріванні. Особливо сильний вплив здійс­нюють карбідотвірні елементи (Cr, V, W, Mo і ін.). Кар­біди, розміщуючись по границях зерен, перешкоджають їхньому росту при нагріванні. Отже, леговані сталі (за винятком марганцевистих), при нагріванні для гартування не схильні до росту аустенітного зерна і їх можна нагрівати до більш високих температур, ніж вуглецеві.

Час витримки при ТО легованих сталей вибирається дещо більшим, ніж вуглецевих, оскільки легована сталь має меншу теплопровідність і для повного прогрівання деталі потрібно біль­ше часу. Крім того, більш тривала витримка сприяє повному роз­чиненню легованих карбідів в аустеніті і, таким чином, утво­ренню легованого аустеніту. При гартуванні легований аустеніт перетворюється в легований мартенсит, механічні властивості якого кращі (як уже було зазначено вище), ніж у нелегованого, за рахунок зміцнення його ле­гувальними елементами. Тривкість проти розпаду легованого мар­тенситу також вища, оскільки легувальні елементи, особливо хром, затримують його перетворення до 450…500?С. Завдяки цьому твердість легованої сталі зберігається до температур 450…500?С, в той час, як у вуглецевій сталі мартенсит починає розпада­тися уже при нагріванні до 200…250?С, що приводить до зменшення твердості вуглецевих сталей при нагріванні вище цих температур.

Потрібно також зазначити, що після гартування, залишковий ле­гований аустеніт, що зберігається, має значно більш високу тривкість, ніж залишковий аустеніт вуглецевої сталі. Так, якщо у вуглецевій сталі залишковий аустеніт перетворюється на мар­тенсит при нагріванні до 270…300?С, то в легованих сталях він мо­же зберігатися до температур 450…550?С. Вище було зазначено, що в легованих сталях до цих температур зберігається також без перетворення легований мартенсит. Отже, унаслідок нагрівання загартованої легованої сталі до температур 450…550?С відбу­вається розпад легованого мартенситу з утворенням дрібно­дисперсних карбідів, а також розпад залишкового аустеніту з утворенням мартенситу. Ці процеси викликають підвищення твер­дості сталі в цьому температурному інтервалі, яка в деяких ви­падках може бути навіть більша, ніж після гартування. Це явище називається вторинною твердістю.

Швидкість охолодження при гартуванні вибирається, як відомо, відповідно з величиною критичної швидкості гарту­вання. Усі легувальні елементи, крім кобальту, зменшують критичну швидкість гартування. Практично це приводить до того, що лего­вані сталі мають більшу прогартовуваність, ніж вуглецеві, і їх можна загартовувати на мартенсит в маслі, тобто при меншій швидкості охолодження, ніж вуглецеві.

Крім перерахованих явищ, при відпусканні легованої сталі, спостерігається інший, ніж у вуглецевої, характер зміни удар­ної в'язкості залежно від температури відпускання. Звичайно, ударна в'язкість із збільшенням температури відпускання збільшується, а швидкість охолодження не впливає на властивості сталі. Але для деяких конструкційних сталей у певних температурних інтервалах спостерігається зменшення ударної в'язкості (рис. 19.1). Цей дефект називається відпускною крихкіс­тю. Розрізняють відпускну крихкість І і ІІ роду.

В ідпускна крихкість І роду спостерігається при відпусканні в області 300?С у легованих, а також вуглецевих сталей і не за­лежить від швидкості охолодження. Це явище зв'язують з нерів­номірністю перетворення відпущеного мартенсит, що відбувається швидше поблизу границь зерен, а в об'ємі зерна повільніше. Відпускна крихкість І роду "необоротна", тобто при повторному нагріванні уже не спостерігається.

Рис. 19.1. Залежність ударної в’язкості конструкційної сталі від температури відпускання: 1 – швидке охолодження, 2 – повільне охолодження

Відпускна крихкість ІІ роду спостерігається в легованих сталях при повільному охолодженні після відпускання в області 450…650?С. Існує декілька пояснень природи цього дефекту. Розглянемо найбільш поширені. При високому відпусканні по границях зерен відбувається утворення і виділення дисперсних вкраплень карбідів. Пригранична зона збіднюється на легувальні елементи. При наступному повільному охолодженні відбувається дифузія атомів фосфору із внутрішніх об’ємів зерна до границь. Приграничні зони зерна збагачуються фосфором, міцність границь у зв’язку з тим, що вони стають крихкі, знижується ударна в'язкість падає. Цьому дефекту сприяють марганець, хром і фосфор ( > 0,001 %). Зменшують схильність до відпускної крихкості ІІ роду молібден і вольфрам (до 0,5 %) і швидке охолодження після відпускання. Відпускна кри­хкість ІІ роду "оборотна", тобто при повторному нагріванні і по­вільному охолодженні тих же сталей у небезпечних інтервалах температур цей дефект може повторитися.