Мета роботи. 1.1 Ознайомитись з основами хіміко-термічної обробки металів і сплавів
1.1 Ознайомитись з основами хіміко-термічної обробки металів і сплавів. 1.2 Вивчити структуру зміцнених поверхневих шарів, одержаних після хіміко-термічної обробки. 1.3 Порівняти властивості сталі до і після хіміко-термічної обробки. 2 Прилади та технічні засоби навчання
2.1 Набір зразків сталей після хіміко-термічної обробки. 2.2 Альбом мікроструктур після ХТО. 2.3 Металомікроскоп.
3 Методичні вказівки до самостійної роботи
Опрацювати за підручником і конспектом лекцій з курсу ”Матеріалознавство” розділ “Хіміко-термічна обробка сталі”. Вникнути в суть процесу хіміко-термічної обробки. Хіміко-термічною обробкою (поверхневим легуванням) називають обробку, яка полягає в поєднанні хімічної і термічної дії на метали і сплави з метою зміни хімічного складу, структури і властивостей в поверхневих шарах виробу. Хіміко-термічна обробка (ХТО) сталі полягає в дифузійному насиченні поверхневого шару неметалами (С, N, Si, B і ін.), або металами (Cr, Al, Ni і ін.) в процесі витримки при певній температурі в реакційному середовищі. Для формування дифузійного покриття необхідно забезпечити протікання трьох основних процесів: а) утворення активних атомів насичуючого елемента на поверхні насичуваного виробу; б) адсорбція атомів насичуючого елементу виробом; в) дифузія адсорбованих атомів в глибину металу. Процес утворення активних атомів насичуючого елементу забезпечується різними способами: випаровуванням; електролізом розплавлених солей; відновленням із сполук; термічним розкладанням хімічних сполук. Адсорбція (поглинання) атомів забезпечується безпосереднім контактом насичуючого елементу з поверхнею насичуваного виробу. Направлена дифузія адсорбованих атомів здійснюється при наявності градієнта концентрації атомів насичуючого елементу по глибині виробу, а також при забезпеченні умов для масового переміщення атомів з поверхні в глибину металу. Звернути увагу на класифікацію методів дифузійного насичення. Забезпечення формування дифузійного шару досягається різними технологічними прийомами відповідно до поставленої задачі, матеріалів і умов насичення. Це лягло в основу класифікації методів дифузійного насичення, основними з яких є: а) насичення із твердої фази – твердофазний метод; б) насичення із парової фази – парофазний метод; в) насичення із газової фази – газовий метод; г) насичення з рідкої фази – рідинний метод; Насичення в обмазках (із паст) займає проміжне положення між насиченням із твердої і рідкої фази. Твердофазний метод дифузійного насичення металів і сплавів здійснюється шляхом нагрівання і витримування при означеній температурі в порошкових сумішах, які містять порошок насичуючого елемента без добавлення активатора. Насичення поверхні елементом проходить за рахунок її контакту з металізатором. До цього методу відноситься плакування і гальванічне осадження з послідуючим дифузійним відпалюванням. Цей метод із-за низької продуктивності на практиці використовується рідко. При парофазному методі насичення поверхні виробу здійснюється через парову фазу, яка виникає при нагріванні насичуючого елементу або його феросплаву до високої температури у вакуумі. Газовий метод дифузійного насичення поверхні металічного виробу здійснюється в середовищах, що містять галогенідні сполуки насичуючого елемента, які дисоціюють на нагрітій поверхні виробу, вступають в хімічну взаємодію з нею. В результаті обмінних реакцій утворюються активні атоми насичуючого елементу які, адсорбуючись, дифундують в кристалічну гратку металу. Розрізняють контактний і неконтактний методи газового дифузійного насичення. При контактному методі насичуваний виріб упаковують в контейнер в порошкову суміш, яка містить насичуючий елемент або його феросплав, інертну добавку і активатор. В якості інертної добавки, призначення якої є застерегти порошок насичуючого елемента від спікання і налипання його на поверхню виробу, використовують оксиди, які не відновлюються в насичуючому середовищі. Це, як правило, оксиди алюмінію, магнію, хрому. В якості активатора найчастіше використовують хлористий амоній або хлористий магній. При неконтактному методі утворення галогенідних сполук насичуючого елемента відбувається в окремому об’ємі, а потім з допомогою транспортного газу подаються в реакційний простір печі, в якій находяться нагріті до потрібної температури вироби, які підлягають насиченню. Рідинний метод дифузійного насичення здійснюється в розплаві насичуючого металу, або розплавлених солях, які містять насичуючий елемент. Рідинний метод дифузійного насичення здійснюється електролізним і безелекторолізним способами. Дифузійне насичення із обмазок використовують при зміцненні великогабаритних виробів, або при необхідності місцевого насичення. Особливо ефективним є процес насичення із обмазок при нагріванні деталей струмами високої частоти. Види хіміко-термічної обробки (ХТО) класифікують відповідно до насичуючого елемента. При вивченні кожного виду ХТО зверніть особливу увагу на температуру процесу та його тривалість, середовище насичення, товщину дифузійного шару, його будову і властивості. Цементація – насичення поверхневого шару вуглецем. Оскільки підвищення концентрації вуглецю приводить до збільшення в ній кількості цементиту, то стає зрозумілим, чому цей процес отримав назву цементації. Цементацію проводять при температурі вище критичної точки АС3, тобто в аустенітній зоні, що пов’язано із здатністю його розчинити в собі значну кількість вуглецю. Отже, це є процес високо-температурний. Глибина проникнення вуглецю визначається міліметрами. Концентрація вуглецю в поверхневому шарі складає приблизно 1%, що відповідає вуглецевій сталі У10. Міцності і твердості поверхневий шар набуває тільки після гартування за рахунок мартенситної структури. Після термообробки (гартування з послідуючим відпусканням) цементована деталь піддається кінцевому механічному обробленню – шліфуванню до номінального розміру. Азотування – насичення поверхневого шару сталі азотом. Цей процес проводять нижче температури АС1, що виключає зміну об’єму деталі за рахунок фазових перетворень, а тому термічну обробку (гартування з послідуючим відпусканням) проводять до азотування. Отже, азотування є кінцевою операцією виготовлення деталі, бо механічна обробка до заданих розмірів (чистова обробка) проводиться після термічної обробки перед азотуванням. Твердість азотованого шару на залізі невелика ~ 300-350 HV. Тому азотуванню піддають середньовуглецеві сталі леговані Cr, Mo, V, Al. Ці легуючі елементи розчинені в фериті підвищують розчинність азоту в α -фазі і утворюють спеціальні нітриди MN і M2N, які забезпечують поверхневому шару сталі високу твердість HV 1000-1200. Ціанування (нітроцементація) одночасне насичення поверхні деталі азотом і вуглецем. Якщо цей процес технологічно забезпечується нагріванням деталі в розплавах ціанистих солей (NaCN, KCN) то він носить назву ціанування. У випадку, коли насичуючим середовищем є суміш газів (наприклад, природній газ і аміак), то процес називають нітроцементацією. Борування – насичення поверхні деталі бором. Борування здійснюється слідуючими методами: газовим, рідким (електролізним і без електролізним), в обмазках із паст. Борування газовим контактним методом проводять в порошкових сумішах на основі аморфного чи кристалічного бору, карбіду бору, феробору, боридів перехідних металів або в алюмотермічних сумішах. Для електролізного борування використовують просушену буру (Na2B4O7). Рідке борування безелектролізним методом здійснюють на основі боратів лужних металів. В якості відновлювачів використовують алюміній, кремній, титан, марганець, лігатури і феросплави на їх основі, карбіди бору та інші. Для газового борування використовують діборан B2H6 і трьоххлористий бор (BCl3). Досить ефективним є спосіб борування в обмазках із паст. Для приготування обмазок використовують порошки бору, карбіду бору, оксидів і в’яжучого. Борування ведуть при температурі 850-950°С. Дифузійний шар складається із боридів FeB (на поверхні) і Fe2B. Товщина шару залежить від хімічного складу сталі і складає 0, 1-0, 2 мм. Твердість борованого шару 1800-2000 HV. Боридні покриття володіють високою зносостійкістю, корозійною стійкістю, теплостійкістю. Дифузійне хромування – насичення поверхні деталі хромом. Хромування здійснюється парофазним методом, газовим (контактним і неконтактним), рідким, а також в обмазках із паст.). Завдяки своїй простоті широко використовується газовий контактний метод хромування. Його здійснюють в порошкових сумішах складу: 65-70% хрому або ферохрому, 25-30% інертної добавки, 2-5 % хлористого амонію (% масові). Насичення протікає при температурі 1100-1150°С. Перспективним являється хромування газовим неконтактним методом з нагріванням насичуваних виробів струмами високої частоти. Газову суміш одержують шляхом пропускання хлору над кусками хрому. Хлориди транспортують до виробів, поміщених в зоні нагрівання струмами високої частоти. Ефективним є хромування у вакуумі, яке здійсюється за рахунок випаровування хрому при високій температурі. В промисловість впроваджена технологія хромування прокату у вакуумі із парової фази. Хромований шар на вуглецевих сталях володіє одночасно цілим рядоим цінних властивостей: високою твердістю, зносостійкістю, корозійною стійкістю та жаростійкістю. В багатьох випадках хромують леговані сталі. Дифузійний шар, одержаний при хромуванні сталі з вмістом вуглецю 0, 3% і більше складається із карбідів хрому (Cr, Fe)7C3 і (Cr, Fe)23C6, що дозволяє називати його карбідним. Твердість карбідного шару, одержаного хромуванням сталі, складає 1200-1600 HV. 4 Завдання і порядок виконання роботи та оформлення звіту
4.1 Вивчити під мікроскопом і зарисувати в зошит мікроструктури сталей після різних видів хіміко-термічної обробки. 4.2 Заміряти твердість серцевини і поверхневого шару запропонованих зразків після хіміко-термічної обробки. Результати вимірювання занести в таблицю 12.1. Таблиця 12.1
4.3 Дати відповідь на запитання.
5 Контрольні питання
5.1 Які фізико-хімічні процеси лежать в основі хіміко-термічної обробки сталей? 5.2 Якими методами здійснюється ХТО? 5.3 При якій температурі здійснюється цементація, азотування? Чому? 5.4 Чим відрізняються процеси цементації і азотування? 5.5 За рахунок чого досягається поверхнева твердість про цементації і азотуванні? 5.6 Яка будова дифузійного шару після цементації і азотування? Яка твердість поверхневого шару? 5.7 До якої температури зберігає високу твердість дифузійний шар після цементації і азотування? Чому? 5.8 Які сталі підлягають цементації і азотуванню? 5.9 Яка будова, товщина і властивості дифузійного шару після борування? 5.10 Яка товщина, будова і властивості дифузійного шару після хромування? 5.11 Яку задачу виробники вирішують шляхом хіміко-термічної обробки? Робота №13 Вивчення структури і властивостей легованих сталей
|
