Основні параменти і результати термічної обробки сталей.

 

Мар­ка сталі	Температу­ра нагрі­ван­­­ня, 0С	Охолоджу­вальне се­редовище	Середня швидкість охолодження, 0С/с	Твердість після термо­обробки	Структурні складові після термообробки

 

Лабораторна робота №8

ВПЛИВ ХІМІКО-ТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ НА СТРУКТУРУ І ВЛАСТИВОСТІ СТАЛІ

Мета роботи: Вивчити вплив хіміко-термічної обробки на структуру і механічні властивості вуглецевої сталі.

Забезпечення роботи: піч муфельна, контейнер, вугілля деревне, зразки низьковуглецевої сталі, твердомір Роквелла, альбом структур.

8.1. Теоретичні відомості

Хіміко-термічна обробка (ХТО) служить для зміни хімічного складу, структури і властивостей поверхневого шару сталі. Окрім поверхневого зміцнення, ХТО підвищує, корозійну стійкість, жаростійкість і деякі інші властивості. Особливістю ХТО є те, що при її проведенні у сталі відбуваються не тільки фазові перетворення, пов’язані з її нагріванням і охолодженням, але і хімічні реакції, які змінюють склад поверхневого шару деталі.

При проведенні ХТО деталь поміщають у середовище, збагачене елементами, якими передбачається насичення поверхневого шару (вуглецем, азотом, хромом, алюмінієм, кремнієм) і нагрівають до певної температури. При цьому інтенсивно відбуваються такі процеси: дисоціація – розпад молекул на атоми відповідного елемента; адсорбція – поглинання поверхневим шаром металу атомів; дифузія – проникнення атомів у глибину металу. Необхідною умовою цього є висока температура нагрівання і великий час витримування при ній.

Застосовують такі основні види ХТО: цементація – насичення поверхневого шару сталі вуглецем; азотування – насичення поверхневого шару сталі азотом; ціанування – насичення поверхневого шару сталі одночасно вуглецем і азотом; дифузійна металізація – насичення поверхневого шару сталі металами (хромом, алюмінієм, кремнієм, молібденом тощо).

Одним з найпоширеніших видів ХТО є цементація, яка застосовується для конструкційних вуглецевих і легованих сталей з малим вмістом вуглецю (до 0,3 %). При цьому поверхневий шар за рахунок максимального насичення вуглецем підвищує твердість і стійкість до зношення, а серцевина залишається в’язкою.

Утворення і будова цементованого шару. При цементації атоми вуглецю дифундують у гратку γ-заліза до того часу, поки не відбудеться повне насичення аустеніту вуглецем згідно лінії SE на діаграмі Fe-C. В цьому випадку на поверхні може утворитися суцільний шар цементиту. У реальних умовах це відбувається дуже рідко.

Звичайно, при температурі цементації (вище лінії Ас₃) дифузійний шар складається виключно з аустеніту, а після повільного охолодження – з продуктів його розпаду (фериту та цементиту). При цьому концентрація вуглецю не досягає межі насичення при даній температурі.

 

Рис.8.1.Зміна концентрації та твердості цементованого шару по товщині та його мікроструктура

 

Цементований шар має змінну концентрацію вуглецю по товщині – чим далі від поверхні, тим його менше (рис.8.1). У структурі можна розрізнити три зони: заевтектоїдну 1 (складається з перліту та вторинного цементиту), евтектоїдну 2 (складається з перліту) та доевтектоїдну 3 (складається з фериту, кількість якого зростає по мірі наближення до серцевини). За ефективну товщину цементованого шару приймають суму заевтектоїдної, евтектоїдної та половину доевтектоїдної зон (до вмісту вуглецю 0,4 %). Це відповідає твердості НRС 50. Орієнтовна швидкість цементації – 0,1 мм/год.

Є два види цементації – у твердому карбюризаторі та газова.

При цементації у твердому карбюризаторі цементуючим середовищем є речовина, багата на вуглець (карбюризатор) – деревне вугілля (дубове чи березове), змішане у певній пропорції з речовинами, які активізують процес дисоціації (ВаСО₃, Nа₂СО_з) у кількості 10…40 %. Деталі завантажують у металевий ящик і нагрівають. При цьому кисень повітря взаємодіє з вуглецем карбюризатора:

С+О₂↔СО₂                                      (8.1)

СО₂ +С↔2СО                     (8.2)

2СО↔СО₂+С_{атомарний}                (8.3)

У присутності активаторів відбуваються й інші реакції з виділенням атомарного вуглецю, наприклад:

ВаСО₃ +С↔ВаО+2СО                   (8.4)

2СО↔СО₂+С_{атомарний}                (8.5)

Перевагою цементації у твердому карбюризаторі є те, що не потрібно спеціального устаткування – вона може відбуватися у звичайних термічних печах. А основні недоліки – довга тривалість і і мала економічність процесу. Тому у промислових умовах широко застосовують прогресивніший процес – газова цементація. У цьому випадку карбюризаторами є гази – природні (метан, оксид вуглецю, бутан тощо) і штучні (продукти термічного розкладу різноманітних нафтопродуктів). Цементація здійснюється у спеціальних камерах, через які пропускається з певною швидкістю цементуючий газ, наприклад метан чи оксид вуглецю. При нагріванні до 900…930 ⁰С відбуваються такі реакції:

СН₄=2Н₂+ С_{атомарний}                   (8.6)

2СО↔СО₂+С_{атомарний} (8.7)

При газовій цементації товщина цементованого шару звичайно складає 1…2 мм, а концентрація вуглецю на поверхні деталі – 0,9…1,2 відсотки. Крім того, перевагами газової цементації є вища швидкість процесу, зручність регулювання товщини шару і концентрації вуглецю; можливість механізації і автоматизації процесу.

Після цементації мікроструктура поверхневого шару не забезпечує потрібної твердості, тому цементовані деталі піддають термічній обробці – гартуванню та низькому відпусканню.

Порядок виконання роботи

Вивчити і замалювати мікроструктуру сталі до термообробки. Провести термобробку заданих марок сталей – цементацію з подальшим гартуванням і відпусканням. Виміряти твердість кожного зразка після термообробки і хіміко-термічної обробки.

Таблиця 8.1

Протокол досліджень

№пп	Марка сталі	Вміст вуглецю	Вид ТО	Температура нагрівання	Середовище охолодження	Твердість
						до ТО	після ТО

 

⇐ Предыдущая123456789

Поделиться: