Богодухов С.И., Бондаренко Е.В., Проскурин А.Д. и др. Материаловедение и технологические процессы машиностроительного производства. Лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.

101

ным диаметрам. Диаметр образца, у которого в центре твердость соответст-

вует твердости полумартенситной зоны, и будет критическим диаметром.

Этот метод рекомендуется применять для углеродистых сталей, прокаливае-

мость которых определяется в небольших сечениях (до 25-30 мм).

Для более глубоко прокаливающихся легированных сталей используют

метод торцовой закалки. Прокаливаемость определяют на стандартных об-

разцах диаметром 25 мм и длиной 100 мм. После нагрева в печи образец бы-

стро переносят в установку, где он охлаждается струёй воды под определен-

ным напором только с торца (рисунок 8.7).

Рисунок 8.7 - Схема охлаждения образца при определении

прокаливаемости стали методом торцовой закалки

Температура воды должна быть в пределах от 10 до 25 °С. На по-

верхности образца не допускаются обезуглероженный слой и окалина. Об-

разцы под закалку для предохранения от окисления и обезуглероживания на-

гревают в печи с контролируемой атмосферой. Если нагревают в печи без

контролируемой атмосферы, образец помещают в стальной стакан с крыш-

кой. Торец образца, предназначенный для охлаждения, ставят на графитовую

или угольную пластину.

Скорость охлаждения образца в разных точках по его длине будет раз-

личной. У закаливаемого торца скорость охлаждения соответствует скорости

охлаждения в воде (1000 °С/с), а у головки образца - скорости охлаждения на

воздухе (3-4 °С/с). Остальные участки поверхности образца охлаждаются с

промежуточной скоростью. После охлаждения измеряют твердость на при-

боре по методу Роквелла по длине образца и строят кривую изменения твер-

дости в зависимости от расстояния от закаливаемого торца. При помощи но-

мограммы, разработанной М.Е.Блантером, можно определить критический

диаметр изделия.

8.3 Порядок выполнения работы

Работа выполняется двумя подгруппами студентов. Одна подгруппа

получает образец из углеродистой стали 40, другая - из легированной стали

40Х.

102

8.3.1 Определить температуру нагрева под закалку соответственно мар-

ки стали.

8.3.2 Образцы поместить в муфельную печь, нагреть до температуры

закалки и выдержать для прогрева по сечению в течение 20 мин.

8.3.3 Нагретый образец быстро установить в установку и открыть кран

подачи воды. Время от момента извлечения образца из печи до начала

охлаждения его струей вода не должно превышать 5 с. Образец должен нахо-

диться под струей воды до полного охлаждения (не менее

10 мин).

8.3.4 Подготовить образец для измерения твёрдости. По длине закален-

ного образца сошлифовать слой на глубину 0,2-0,3 мм.

8.3.5 На образовавшейся площадке измерить твердость HRC, с шагом

3 мм до твёрдости немного меньшей твёрдости полумартенситной зоны.

8.3.6 На основании полученных опытных данных построить кривые

прокаливаемости в координатах "Твёрдость - расстояние от торца " (рисунок

8.6).

Рисунок 8.6 - Схема определения расстояния от торца

до полумартенситной зоны

8.3.7 На построенных кривых, зная твёрдость полумартенситной зоны

для данной стали, определить глубину прокаливаемости.

8.3.8 Используя номограмму М.Е.Блантера, определить искомый кри-

тический диаметр Д

кр

при охлаждении в трёх средах (вода, масло, воздух).

Для определения критического диаметра пользуются шкалой, по-

мещённой в верхней части номограммы, которая характеризует расстояние

от закаленного торца до полумартенситной зоны. По опытным данным, по-

лученным при выполнении работы, на указанной шкале нужно найти рас-

стояние до полумартенситной зоны. От найденной точки опустить перпенди-

куляр до шкалы "идеальное охлаждение". От точки пересечения провести

влево горизонтальную линию до пересечения с линией, соответствующей за-

данной охлаждающей среде (вода), опустить перпендикуляр до шкалы "фор-

ма тела" (цилиндр, куб, шар, параллелепипед). В точке пересечения линии с

этой шкалой находим ответ: диаметр изделия в мм, имеющий в середине по-

лумартенситную структуру.

103

8.4 Содержание отчёта

8.4.1 Цель работы.

8.4.2 Определения прокаливаемости, критического диаметра. Значение

прокаливаемости в практике термической обработки.

8.4.3 Методика проведения испытаний для определения прокалива-

емости методом торцовой закалки.

8.4.4 Таблица замеров твёрдости по длине образца

Таблица 8.I

Твёрдость HRC

Порядок

номера

Расстояние от охлаждаемого

торца, мм

сталь 40 сталь 40Х

1,5

8.4.5 Кривые распределения твердости в координатах "твёрдость -

расстояние от закаленного торца".

8.4.6 Результаты экспериментальной части работы в виде таблицы 8.2.

Таблица 8.2

Значение Д

кр

при охлаждении Марка

стали

Твёрдость

полумартен-

ситной зоны,

HRC

Расстояние от

торца до по-

лумартенсит-

ной зоны, мм

в воде в масле на

воздухе

Сталь 40

Сталь 40Х

8.4.7 Выводы.

8.5 Контрольные вопросы

8.5.1 Что понимается под закаливаемостью и прокаливаемостью?

8.5.2 Почему легированные стали имеют большую прокаливае-

мость при охлаждении в одной и той же среде, чем углеродистые ста-

ли?

8.5.3 Что понимается под критическим диаметром?

8.5.4 Как влияет охлаждающая среда на величину Д

кр

данной стали?

8.6.5 Методы определения прокаливаемости.

8.6.6 Как по номограмме определяется критический диаметр?

104

9 Лабораторная работа № 9

Химико-термическая обработка (цементация) стали *

)

9.I Цель работы

9.1.1 Ознакомление с принципами химико-термической обработки на

примере цементации стали.

9.1.2 Практическое изучение влияния термической обработки на струк-

туру и свойства сердцевины и поверхностного слоя цементованной стали.

9.2 Общие сведения

Химико-термической обработкой (ХТО) называется тепловая обра-

ботка металлов в химически активной среде для изменения химического со-

става, структуры и свойств поверхностного слоя металлического изделия.

Процесс ХТО включает три элементарные стадии:

1) диссоциацию молекул газообразной среды с образованием активных

атомов;

2) адсорбцию активных атомов и их растворение в поверхностном слое

металла;

3) диффузию растворенных атомов вглубь металла и образование диф-

фузионной зоны.

Возможность данного вида химико-термической обработки и характер

структуры диффузионного слоя связаны определённым образом с типом диа-

граммы состояния «металл – насыщающий компонент».

ХТО возможна только в тех случаях, когда диаграмма содержит высо-

котемпературную область значительной растворимости насыщающего ком-

понента в металле изделия.

Основными видами ХТО сталей являются: цементация (науглерожи-

вание), азотирование, цианирование, нитроцементация (совместное насыще-

ние азотом и углеродом), диффузионная металлизация, насыщение поверх-

ностного слоя алюминием, хромом, кремнием, бором и др.

Цементация состоит в насыщении поверхностного слоя стальных дета-

лей углеродом. Цель цементации - получение изделий с твердой износостой-

кой поверхностью в сочетании с вязкой сердцевиной. Достигается это науг-

лероживанием поверхностного слоя изделий из низкоуглеродистых сталей,

(содержащих 0,1 - 0,25 % углерода) с последующей закалкой и низким от-

пуском.

Среду, в которой производят цементацию, называют карбюризатором.

В основном применяют два способа цементации: в твёрдом и газовом карбю-

ризаторе. В качестве твёрдого карбюризатора применяют смесь древесного

)

Составлено при участии Синюхина А.В. и Шейнина Б.М.

105

угля с углекислыми солями (обычно до 20-25 % BaCO

). Цементуемые дета-

ли упаковывают попеременно с карбюризатором в контейнер (стальной

ящик) и нагревают в печи до 910-930 ºС. При нагреве уголь взаимодействует

с кислородом воздуха, имеющимся между частичками карбюризатора:

2С + 0

= 2СО

На поверхности деталей протекает реакция диспропорционирования:

2СО СО

+ С

Выделившийся активный углерод адсорбируется поверхностью де-

талей, а СО

(в том числе образовавшийся при термическом разложении уг-

лекислых солей) взаимодействует с углем, образуя новые порции СО. Ско-

рость цементации в твердых карбюризаторах составляет 0,1-0,15 мм.

В качестве газового карбюризатора используют получаемые в специ-

альных генераторах контролируемые атмосферы, содержащие в определен-

ном соотношении предельные углеводороды и некоторое количество окиси

углерода.

Применяют также жидкие углеводороды (керосин, бензол и др.), кап-

лями подаваемые в герметичное печное пространство.

Газовая цементация - более совершенный метод, чем цементация в

твёрдых карбюризаторах. Она протекает значительно быстрее, так как ис-

ключается время на прогрев и охлаждение массивных контейнеров с малоте-

плопроводным карбюризатором. Для получения цементованного слоя 1,5 мм

при газовой цементации достаточно 2-3 часов.

Применяют газовую цемента-

цию, главным образом, на заводах массового и крупносерийного производст-

ва.

Схема микроструктуры диффузионного слоя цементованной низкоуг-

леродистой стали представлена, в сопоставлении с диаграммой железо-

углерод, на рисунке 9.1.

Часть слоя, прилежащая к поверхности

детали и имеющая концентра-

цию углерода больше 0,8 %, имеет структуру заэвтектоидной стали: перлит,

окруженный сеткой вторичного цементита. Средняя часть слоя, имеющая

концентрацию, близкую к эвтектоидному, состоит из перлита. Далее вглубь

слоя структура становится доэвтектоидной.

Различают полную и эффективную толщину цементованного слоя. Эф-

фективная толщина соответствует сумме заэвтектоидной, эвтектоидной и по-

ловине доэвтектоидной зоны. Обычно она равна 0,5-1,8 мм и в исключитель-

ных случаях, при больших контактных нагрузках на цементованную поверх-

ность, может достигать 6 мм. При заданной температуре толщина слоя опре-

деляется длительностью цементации. Обычно содержание углерода в по-

верхностном слое составляет от 0,8 до 1,1 %.

106

Рисунок 9.1 – Схема микроструктуры диффузионного слоя в сопостав-

лении с диаграммой железо-углерод

Для получения заданного комплекса механических свойств цементо-

ванные изделия подвергают термической обработке.

Для получения в деталях ответственного назначения мелкозернистой

структуры, как на поверхности, так и в сердцевине, их подвергают сложной

термической обработке, состоящей из двух последовательных закалок и низ-

кого отпуска. При первой закалке, проводимой от температуры, на 30-50 гра-

дусов превышающей для цементуемой стали температуру Ас

, происходит

перекристаллизация сердцевины, что обеспечивает получение мелкозерни-

стого аустеинта и продуктов его распада. При второй закалке нагрев прово-

дят до температуры Ас

+ (30-50)º. Образовавшийся в поверхностном слое в

результате первой закалки мартенсит отпускается с выделением глобулярных

карбидов. После второй

закалки структура поверхности состоит из высокоуг-

леродистого мартенсита и глобулярных карбидных частиц, увеличивающих

её твёрдость. При этом также обеспечивается мелкое зерно в поверхностном

слое.

107

Окончательной операцией термической обработки является низкий от-

пуск, проводимый при температуре 160-200 °С.

Детали менее ответственного назначения могут подвергаться более

простой термической обработке, состоящей из одной закалки и низкого от-

пуска.

После цементации природно-мелкозернистой стали и содержании уг-

лерода в поверхностном слое около 0,8 % однократная закалка дает вполне

удовлетворительные свойства, как в сердцевине, так и в

цементованном слое

деталей. При цементации таких сталей в газовом карбюризаторе целесооб-

разно закалку вести непосредственно с цементационного нагрева.

Структура сердцевины зависит от легированности стали. В деталях из

нелегированной стали сердцевина после термообработки состоит из феррит-

но-перлитной смеси или из сорбита. В изделиях из легированных сталей

сердцевина в зависимости от количества легирующих элементов может со-

стоять из троостита, бейнита или низкоуглеродистого мартенсита.

Во всех случаях из-за низкого содержания углерода сердцевина имеет

достаточную вязкость.

9.3 Приборы и оборудование

При выполнении лабораторной работы используются:

1) металлографический микроскоп ММУ-3 или МИМ-7;

2) твердомеры ТП и ТК-2;

3) шлифовально-полировальный станок "НЕРИС";

4) электропечь муфельная с приборами теплового контроля;

5) закалочная ёмкость с водой.

9.4 Порядок выполнения работы

9.4.1 Ознакомьтесь со всеми разделами руководства.

9.4.2 Изучите влияние термической обработки на твердость сердцеви-

ны и поверхностного слоя цементованной стали. Для этого:

I) получите у лаборанта образцы цементованной и нецементованной

стали одной и той же марки;

2) на шлифовальном диске станка "НЕРИС" подготовьте поверхность

образцов для измерения твёрдости;

3) измерьте твёрдость каждого из образцов на твердомере типа ТП по

методу Бринелля. Результаты измерения твердости занесите в таблицу (тип

таблицы представлен таблицей 9.1). Следует иметь в виду, что при

неболь-

ших размерах образцов нецементованный образец по своим свойствам при-

мерно соответствует сердцевине цементованного образца;

108

Таблица 9.1 - Твёрдость цементованных образцов до и после термооб-

работки

Твердость НВ

№

п/п

Марка стали Участок образца

до термообра-

ботки

после термо-

обработки

Поверхностный

слой

Сердцевина

4) проведите закалку каждого из образцов. Температура нагрева под

закалку – 820 °С. Охлаждаемая среда - вода. Время выдержки образцов в

электропечи определите по таблице 9.2;

Таблица 9.2 - Ориентировочные нормы нагрева стали при термической

обработке в лабораторных электрических печах

Форма изделия

круг пластина

Продолжительность нагрева, мин

Температура нагрева, ºС

на 1 мм диаметра на 1 мм толщины

800 1,0 2,0

900 0,8 1,6

1000 0,4 0,8

5) на шлифовальном диске станка "НЕРИС" подготовьте поверхность

закаленных образцов для измерения твёрдости;

6) измерьте твердость образцов на приборе ТК-2 (индентор - алмазный

конус, нагрузка - 150 кг). Полученную твердость HRC переведите по таблице

«Соотношение между числами твёрдости HRC, HRA, НВ, HV в твёрдость по

Бринеллю». Результаты занесите в таблицу 9.1

9.4.3. Изучите структуру диффузионного слоя цементованных образцов

до термообработки и после нее.

Для этого:

1) получите у лаборанта микрошлифы цементованной стали после тер-

мической обработки и без нее;

2) просмотрите структуру диффузионного слоя каждого из образцов с

109

помощью металлографического микроскопа. Определите какие структурные

составляющие входят в состав слоя. Оцените как изменилась структура после

термической обработки.

В связи с тем, что одновременно просматриваемый под микроскопом

участок, как правило, меньше толщины диффузионного слоя, слой следует

рассматривать последовательно, перемещая образец под (над) объективом

микроскопа, одновременно корректируя фокусировку.

3) Зарисуйте структуру диффузионного слоя до термической обработ-

ки и после нее. Укажите какими составляющими представлены структуры.

9.5 Содержание отчета

9.5.1 Цель работы.

9.5.2 Краткое описание назначения и технологии цементации стали.

9.5.3 Рисунки структур диффузионного слоя до и после термической

обработки.

9.5.4 Таблица с результатами измерения твёрдости в соответствии с

разделом 9.4.2.

9.5.5 Выводы по проделанной работе.

9.6 Контрольные вопросы

9.6.1 Каково назначение цементации стали?

9.6.2 Как можно увеличить толщину диффузионного слоя при цемента-

ции стали?

9.6.3 Какова структура диффузионного слоя, полученного в результате

цементации стали?

9.6.4 Какая термическая обработка проводится после цементации ста-

ли?

9.6.5 Чем отличается мартенсит, полученный после закалки цементиро-

ванного изделия, в сердцевинных участках от мартенсита в наружных слоях

образца?

9.6.6 Каким образом можно увеличить концентрацию углерода в по-

верхностном слое изделия при цементации?

110

10 Лабораторная работа № 10

Изучение структуры и свойств легированных сталей

10.1 Цель работы

10.1.1 Ознакомиться с основами легирования. Изучить влияние ле-

гирующих элементов на структуру и свойства легированных сталей.

10.1.2 Изучить маркировку и классификацию легированных сталей,

научиться по марке стали определять ее химический состав.

10.1.3 Приобретение навыков анализа микроструктур легированных

сталей.

10.2 Основные сведения

Легированными называют стали, в которые для изменения структу-

ры и свойств, кроме углерода, вводят легирующие элементы. Основными

легирующими элементами являются: хром, никель, вольфрам, кобальт, ти-

тан, ванадий, цирконий и другие, а также марганец и кремний при их по-

вышенном, против обычного, содержании. В легированных сталях, также

как и в конструкционных сталях, содержатся постоянные примеси: марга-

нец, кремний, фосфор, сера и другие.

Легирование применяется в двух основных направлениях:

1) для повышения технологичности термической обработки конст-

рукционных и инструментальных сталей (закаливаемость в масле, прока-

ливаемость и др.);

2) для получения сталей особого назначения, обладающих тем или

иным комплексом специальных характеристик (коррозионной стойкостью,

жаропрочностью, особыми магнитными свойствами и т.д.).

10.3 Влияние легирующих элементов на свойства стали

Преимущества легированных сталей, а также характерные для них

специальные свойства проявляются только после соответствующей тер-

мической обработки. Поэтому из легированных сталей изготовляют дета-

ли, обязательно подвергаемые термической обработке. Улучшение меха-

нических свойств обусловлено влиянием легирующих элементов на свой-

ства феррита, дисперсность карбидной фазы, устойчивость мартенсита

при отпуске, прокаливаемость, размер зерна.

Для достижения высокой прокаливаемости сталь чаще легируют бо-

лее дешевыми элементами - марганцем, хромом, бором, а также более до-

рогими и дефицитными - никелем и молибденом.

Хром (вводят в количестве до 2 %) растворяется в феррите и цемен-

тите, оказывая благоприятное влияние на механические свойства, что пре-

допределило его широкое применение. Способствует получению высокой