6. Отчет о работе

Отчет о выполнении лабораторной работы должен отражать следующее:

6.1. Название работы.

6.2. Цель работы.

6.3. Список литературы.

6.4. Сведения из теории: основные виды химико-термической обработки.

6.5. Представить результаты микроструктурного анализа микрошлифов с описанием.

6.6. Вывод

Работу выполнил:

ст.-т___________гр._____________

Работу принял:

______________________________

7. Химико – термическая обработка сталей

Химико – термической обработкой на­зывают технологические процессы, при­водящие к диффузионному насыщению поверхностного слоя деталей различны­ми элементами, с последующей их закалкой в большинстве случаев.

Химико-термическую обработку при­меняют для повышения твердости, из­носостойкости, сопротивления устало­сти и контактной выносливости, а также для защиты от электрохимической и га­зовой коррозии.

Различают три стадии процесса хими­ко – термической обработки.

На первой стадии протекают химиче­ские реакции в исходной (окружающей) среде, в результате которых образуются активные диффундирующие элементы, по-видимому, в ионизированном состоя­нии.

На второй стадии процесса они усваи­ваются насыщаемой поверхностью ме­талла - происходит адсорбция диффундирующих элементов, в результате чего тончайший поверх­ностный слой насыщается диффунди­рующим элементом (абсорбция), возни­кает градиент концентрации – движущая сила для следующей стадии процесса.

Третья стадия – диффузионное про­никновение элемента в глубь насыщае­мого металла, которое сопровождается образованием твердых растворов, химических соединений или фазовой перекристаллизацией.

Первая и вторая стадии процесса хи­мико – термической обработки протекают значительно быстрее третьей – диффу­зионной стадии, где формируются структура и свойства диффузионной зоны. Третья стадия определяет ско­рость процесса химико-термической обработки. Диффузионное насыщение стали угле­родом, азотом и совместно этими эле­ментами – наиболее распространенные в промышленности процессы химико – термической обработки.

Углерод и азот легко усваиваются по­верхностью стали, образуют с железом твердые растворы внедрения, химические соединения – нитриды, карбиды и сравни­тельно быстро диффундируют в стали, образуя слои значительной толщины.

Цементация стали. Технологический процесс диффузионного насыщения углеродом называется цементацией. Обычно после цементации сталь под­вергают закалке и низкому отпуску. По­сле такого комплексного процесса кон­центрация углерода на поверхности стальной детали доводится до 0,8 – 1% и выше, структура низкоотпущенного мартенси­та с мелкими сфероидальными кар­бидами хорошо сопротивляется износу. Твердость на поверхности деталей достигает НV 7500 – 9500. Сердцевина детали, со­держащая 0,08 – 0,25% С, остается вяз­кой.

Цементации обычно подвергают та­кие детали машин, которые должны иметь износостойкую рабочую поверх­ность и вязкую сердцевину: зубчатые колеса, валы и пальцы, распредели­тельные валики, кулачки, червяки и т. д.

Карбюризаторы. Исходную среду для цементации (науглероживания) принято называть карбюризатором. В основном применяют два способа цементации: в твердом и в газовом карбюризаторе. Несмотря на различные названия, про­цесс цементации в твердом и газовом карбюризаторе идет через газовую фазу. Наиболее распространенный твердый карбюризатор состоит в основ­ном из древесного угля с добавкой 20 – 25% углекислого бария для интенси­фикации процесса и 3 – 5% СаСО₃ для предотвращения спекания частиц кар­бюризатора. Детали, подлежащие це­ментации и карбюризатор упаковы­ваются в контейнер (стальной ящик) и нагреваются в печи до 910 – 930 ⁰С. При нагреве уголь взаимодействует с кислородом остаточного воздуха контейнера по реакции

2С + О₂ = 2СО.

Кроме того, оксид углерода образует­ся в результате реакции

ВаСО₃ + С = ВаО + 2СО

Разложение соединения СО приводит к образованию активного атомарного углерода:

2СО СО₂+С_ат

На поверхности деталей протекает ве­дущая процесс цементации реакция диспропорционирования, в результате которой активный углерод адсорбируется насыщаемой поверх­ностью, находящейся в аустенитном состоянии, а СО₂ взаимодействует с углем, образуя новые порции СО. Таким образом, в результате обрати­мой реакции диспропорционирования углерод переносится на насыщаемую поверхность.

При газовой цементации в качестве карбюризатора используют разба­вленный природный газ (состоящий почти полностью из метана), контроли­руемые атмосферы, получаемые в спе­циальных генераторах, а также жидкие углеводороды (керосин, бензол и др.), каплями подаваемые в герметичное ра­бочее пространство печи, где они обра­зуют активную газовую среду. Основ­ная ведущая реакция при наличии мета­на:

СН₄ = 2Н₂ + С_ат

В зависимости от со­става газовой смеси и содержания угле­рода в стали атмосфера в рабочем про­странстве печи может быть науглерожи­вающей, обезуглероживающей и ней­тральной. Нейтральному составу газо­вой смеси соответствует определенная равновесная концентрация углерода на поверхности стальной детали. Эту кон­центрацию углерода принято называть углеродным потенциалом контролируе­мой атмосферы. Следовательно, наугле­роживание будет происходить в том случае, если концентрация углерода на поверхности стали будет меньше угле­родного потенциала газовой смеси при данной температуре.

Структура цементованного слоя. Ти­пичная структура цементованного слоя на поверхности низкоуглеродистой ста­ли после медленного охлаждения от температуры цементации показана на рис. 1. Наружная часть слоя, содержащая больше 0,8% С, имеет структуру заэвтектоидных ста­лей – перлит и вторичный цементит, ко­торый при медленном охлаждении вы­деляется на границах аустенитных зерен в виде оболочек (на шлифе сетка). Сред­няя часть слоя, имеющая эвтектоидную концентрацию, состоит из перлита. Да­лее по направлению к сердцевине кон­центрация углерода уменьшается, структура соответствует доэвтектоидной стали, причем количество перлита умень­шается при приближении к сердцевине.

1 — заэвтектоидная зона: 2 — эвтектоидная зона; 3 — доэвтектоидная зона Рисунок 8.1 – Микроструктура диффузионного слоя после цементации низкоуглеродистой стали, Х 50

Принято различать полную и эффек­тивную толщину цементованного слоя. За эффективную толщину принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половины доэвтектоидной зоны слоя. Эффективная толщина цементованного слоя обычно составляет 0,5-1,8 мм и в исключительных случаях достигает 6 мм. Структура после цементации полу­чается крупнозернистой в связи с дли­тельной выдержкой деталей при темпе­ратуре науглероживания. Длительность изотермической выдержки при цемента­ции зависит от заданной толщины слоя и марки цементируемой стали. Процесс газовой цементации идет бы­стрее, так как не приходится нагревать ящик с карбюри-

затором. Кроме того, процесс газовой цемента­ции легко регулируется и автоматизи­руется. На заводах работают автомати­зированные агрегаты для цементации, которые регулируют процесс по угле­родному потенциалу.

Термическая обработка после цемен­тации. Для получения заданного ком­плекса механических свойств после це­ментации необходима дополнительная термическая обработка деталей.

В зависимости от условий работы, а также от выбранной для изготовления детали стали, режим упрочняющей тер­мической обработки может быть разли­чен. Для тяжелонагруженных трущихся деталей машин, испытывающих в усло­виях работы динамическое нагружение, в результате термической обработки нужно получить не только высокую по­верхностную твердость, но и высокую прочность (например, для зубчатых ко­лес - высокую прочность на изгиб) и вы­сокую ударную вязкость. Для обеспече­ния указанных свойств требуется полу­чить мелкое зерно, как на поверхности детали, так и в сердцевине. В таких от­ветственных случаях цементованные де­тали подвергают сложной термической обработке, состоящей из двух последовательно проводимых закалок и низко­го отпуска.

При первой закалке деталь нагревают до температуры на 30-50 °С выше тем­пературы Ас₃ цементируемой стали. При таком нагреве во всем объеме де­тали установится аустенитное состояние. Нагрев до температур, лишь немного превышающих Ас₃, вы­зывает перекристаллизацию сердцевины детали с образованием мелкого аустенитного зерна, что обеспечит мелкозер­нистость продуктов распада. При этой тем­пературе весь диффузионный слой переходит в аусте­нитное состояние, поэтому, чтобы пред­отвратить выделение цементита, прово­дят закалку.

При второй закалке деталь нагревают до температуры t с превышением на 30-50 °С температуры Ас₁. В процессе нагрева мартенсит, полу­ченный в результате первой закалки, от­пускается, что сопровождается образо­ванием глобулярных карбидов, которые в определенном количестве сохраняются после неполной закалки в поверхност­ной заэвтектоидной части слоя, увеличи­вая его твердость и другие показатели работоспособности, за счет уменьшения концентрации напряжения при шаровидной форме включений карбида.

Окончательной операцией термиче­ской обработки является низкий отпуск при 160-200° С, уменьшающий оста­точные напряжения и не снижающий твердость и прочности стали.

Азотирование стали. Азотированием называют процесс диффузионного насы­щения азотом поверхностной зоны де­талей. Азотирование применяют для по­вышения износостойкости и предела выносливости деталей машин (колен­чатые валы, гильзы цилиндров, червяки, валики и др.).

До азотирования детали подвергают закалке и высокому отпуску (улучше­нию) и чистовой обработке. После азо­тирования детали шлифуют или поли­руют.

Обычное азотирование проводят при температуре 500-600° С в муфелях или контейнерах, через которые пропускает­ся диссоциирующий аммиак. Длительность процесса зависит от требуемой толщины азотированного слоя. Чем выше температура азотирования, тем ниже твердость азотированного слоя и больше толщина слоя. Обычно при азотировании желательно иметь слой толщиной 0,3-0,6 мм. Процесс азотирования является продолжительным и составляет 24 – 90 ч. Для ускорения процесса азотирования нередко применяют двухступенчатый процесс: сначала азотирование проводят при 500 – 520 ⁰С, а затем при 540 – 600 ⁰С. При двухступенчатом процессе сокращается продолжительность процесса, при этом сохраняется высокая твердость азотированного слоя. Охлаждение после азотирования производят вместе с печью в потоке аммиака.

Азотированию подвергают среднеуглеродистые стали, содержащие хром, алюминий и молиб­ден. С этими элементами азот образует очень твердые и из­носостойкие нитриды. Твер­дость азотированного слоя в 1,5...2 раза выше твердости цементированного слоя. Кроме того, азотирование повышает сопротивляемость поверхност­ного слоя коррозии. Азотиро­вание применяют для упрочне­ния гильз цилиндров, шесте­рен и др. В структуре азотированной легированной стали 38ХМЮА на поверхности (рис. 2) рас­положен тонкий нетравящийся белый слой, состоящий из ε + γ' – фазы. Затем следует се­рый слой, представляющий со­бой смесь γ'+ά – фаз. Далее располагается ά-фаза. Фазы γ' и ε представляют собой соот­ветственно карбонитриды Fе₄(N,С) и Fе₂(N,С), а ά-фа­за является азотистым ферри­том. В поверхностном слое располагаются также нитриды легирующих элементов. Микроструктура сердцевины состо­ит из сорбита отпуска, который получают термообработкой, проведенной до азотирования. Формирование структуры азотирован­ной зоны в углеродистых сталях проис­ходит примерно так же, как при азоти­ровании железа.

Рисунок 8.2 – Микроструктура стали 38 ХМЮА после азотирования

Поэтому, пользуясь диаграммой Fe-N можно предсказать структуру азотированной зоны низкоуглеродистых сталей. По ме­ре насыщения железа азотом при темпе­ратуре ниже 590 ⁰С сначала образуется ά-твердый раствор внедрения азота в железо, затем слой γ'-фазы с ГЦК ре­шеткой и упорядоченным расположе­нием атомов азота в центрах элемен­тарных ячеек.

Цианирование и нитроцементация – процесс одновременного насы­щения поверхности стали углеродом и азотом. Циани­рование может быть жидким или газовым (нитроцементация), а в зависимости от температуры нагрева – высокотемпературным (750.. .900 ⁰С) или низкотемпе­ратурным (530. ..560 ⁰С).

Жидкое цианирование осуществляется в расплавлен­ных цианистых солях (NаСN, КСN и др.), газовое – в смеси науглероживающего газа и аммиака. Чаще при­меняют газовое высокотемпературное цианирование, которое более безопасно, отличается экономичностью и возможностью механизации процесса.

Высокотемпературное цианирование, при котором преобладает насыщение стали углеродом, применяют для деталей, изготовленных из среднеуглеродистых ста­лей (шестерни, пальцы, валики, гайки и др.). После цианирования детали подвергают закалке и низкому отпуску. После высокотемпературного цианирования детали имеют примерно такую же структуру, как и це­ментированные (тонкая поверхностная корка состоит из карбонитридов, затем следует слой азотистого мартенсита см. рис.8.3). По сравнению с цементированными, цианированный слой обладает более высоким сопротивлением износу, лучшим сопротивлением коррозии.

Низкотемпературное цианирование характеризуется насыщением поверхности стали преимущественно азотом, и применяется для повышения режущих свойств инструмента из быстрорежущей стали.

Поверхностное насыщение стали алюминием, хромом, бором и другими элементами называют диффузионным насыщением металлами.

Изделие, поверхность которого обогащена этими элементами, приобретает ценные свойства, к числу которых относятся высокая жаростойкость, коррозионная стойкость, по­вышенная износостойкость и твердость.

Рисунок 8.3 – Микроструктура стали 38 ХГТ после цианирования

Поверхностное насыщение стали металлами, а также таким элементом, как кремний, можно осуществлять при 900 – 1050 0С упаковкой изделия в порошкообразную среду, погружением в расплавленный ме­талл, если диффундирующий элемент имеет невысокую темпе­ратуру плавления (например, цинк; алюминий), или насыщени­ем из газовой среды. При газовом методе используют летучие галогениды, хлориды металлов. Алитирование. Алитированием называют насыщение поверх­ности стали алюминием. Чаще применяют алитирование в по­рошкообразных смесях. Детали упаковывают в ящик, заполнен­ный

рабочей смесью, в состав которой входят: алюминиевый порошок (25 – 50%) или ферроалюминий (50 – 75%), окись алюминия (25 – 75%) и хлористый аммоний (~ 1,0%). Процесс ведут при 900 – 1050 ⁰С в течение 3 – 12 ч. Нередко применяют алитирование в ваннах с расплавленным алюминием. Алитируемые детали погружают в расплавленный алюминий, содержа­щий 6 – 8% Fе (железо добавляют для того, чтобы исключить растворение обрабатываемых деталей в алюминии), процесс ве­дут при 700 – 800 ⁰С в течение 45 – 90 мин.

Структура алитированного слоя представляет собой твердый раствор алюминия в ά -железе (рис 8.4 а). Концентрация алюминия в поверхностной части слоя составляет ~30%. Увеличе­ние содержания в стали углерода и легирующих элементов тормозит диффузию алюминия. Глубина алитированного слоя чаще всего составляет 0,2 – 1,0 мм. Алитированию подвергают топливники газогенераторных машин, чехлы термопар, детали разливочных ковшей, клапаны и другие детали, работающие при высоких температурах.

Хромирование стали – насыщение поверхности стальных изделий хромом. Этот процесс обеспечивает повышенную устой­чивость стали против газовой коррозии, высокую коррозионную стойкость в таких средах, как вода, морская вода и азотная кислота. Хромирование сталей, содержащих более 0,3 – 0,4% С, повышает также твердость и изно­состойкость.

Хромирование чаще ведут в порошкообразных смесях (на­пример, 50% феррохрома, 49% окиси алюминия и 1% хлорис­того аммония).

а) б) в) г) д)

а) алитированный слой в железе; б) хромированный слой в железе; в) хромированный слой в стали; г) силицированный слой на стали; д) борированный слой на железе

Рисунок 8.4 – Микроструктура диффузионных слоев

Некоторое применение нашло газовое хромиро­вание (нагрев в среде, содержащей СгСl₂) и в вакууме. При хромировании в вакууме изделия засыпают порошком хрома в стальном или керамическом тигле и помещают в вакуумную камеру. При высокой темпе­ратуре хром испаряется и диффундирует в железо. Хромирова­ние ведут при 1000 – 1050° С несколько часов.

Диффузионный слой, получаемый при хромировании техни­ческого железа, состоит из твердого раствора хрома в а – железе (рис. 8.4 б). Слой, получаемый при хромировании стали, содержащий углерод, состоит из карбидов хрома. На рис. 8.4 в, показана структура хромиро­ванного слоя, полученного на стали с 0,45% С. Слой состоит из карбидов хрома, под слоем карбидов находится переходной слой с высоким содержанием углерода (0,8%). Такие слои образуются в результате диффузии углерода из внутренних слоев к поверх­ности навстречу хрому. Углерод обладает большей скоростью диффузии, чем хром, поэтому для образования карбидного слоя используется не весь углерод. Часть его составляет переходный слой с высоким содержанием углерода. Карбидный слой обла­дает высокой твердостью. Твердость слоя при хромировании стали – НV 1200 – 1300. Глубина хромированного слоя обычно не превышает 0,15 – 0,20 мм. Хромирование используют для деталей паросилового оборудования, пароводяной арматуры, клапанов, вентилей, патрубков, а также деталей, работающих на износ в агрессивных средах.

Силицирование - насыщение поверхности стали кремнием. Силицирование придает стали высокую коррозионную стойкость в морской воде, в азотной, серной и соляной кислотах и не­сколько увеличивает устойчивость против износа. Силицирова­ние проводят в порошкообразных смесях (например, 75% ферросилиция +20% шамота +5% Н₄С1) или чаще в газовой среде, получаемый пропусканием хлора через реакционное пространство с обрабатываемыми деталями и ферросилицием или карбидом кремния. Процесс ведут при 950 – 1000 ⁰С.

Силицированный слой (рис. 8.4 г) является твердым рас­твором кремния в ά -железе. Под диффузионным слоем часто наблюдается слой перлита. Это объясняется оттеснением угле­рода из диффузионного слоя вследствие пониженной раство­римости его в кремнистом феррите. Силицированный слой от­личается повышенной пористостью, глубина его 0,3 – 1,0 мм. Несмотря на низкую твердость (НV 200 – 300), силицированный слой обладает высокой износостойкостью после предваритель­ной пропитки маслом при 170 – 200 ⁰С.

Силицированию подвергают детали, используемые в обору­довании химической, бумажной и нефтяной промышленности (валики насосов, трубопроводы, арматура, гайки, болты и т. д.).

Борирование, т. е. насыщение поверхностного слоя бором создает очень высокую твердость (НV 1800 – 2000), износостой­кость и устойчивость против коррозии в различных средах. Бо­рирование стальных изделий чаще выполняют при электролизе расплавленных солей, содержащих бор. Хорошие результаты получены при газовом борировании. В этом случае насыщение бором проводят в среде диборана (В₂Н₆) или треххлористого бора в смеси с водородом при 850 – 900 ⁰С. На поверхности образуется борид железа FеВ, а ниже – борид Fе₂В и ά-твердый раствор (рис. 8.3д). Углерод и легирующие элементы уменьшают глубину бориро-ванного слоя, чаще она достигает 0,1 – 0,20 мм.

Борированию подвергают детали, применяемые в оборудова­нии нефтяной промышленности. Например, втулки грязевых нефтяных насосов для повышения их устойчивости против аб­разивного износа. Борирование поверхностей контакта штампов для горячей штамповки значительно повышает их стойкость. Борированию можно подвергать любые стали.