Сопоставление рассмотренных способов




Утверждаю

Ректор университета

__________________А.В.Лагерев

«____»____________2008 г.

 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

И ТЕХНОЛОГИЯ конструкционных МЕТАЛЛОВ

ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫСТАЛЕЙ ПОСЛЕ

ПОВЕРХНОСТНЫХ МЕТОДОВ УПРОЧНЕНИЯ

(ЗАКАЛКИ ТВЧ, ЦЕМЕНТАЦИИ, АЗОТИРОВАНИЯ)

 

Методические указания

к выполнению лабораторной работы № 12 для студентов

очной и заочной форм обучения

всех специальностей

2-е изд., перераб. и доп.

 

 

Брянск 2008

 

УКД 669.01

 

Материаловедение, материаловедение и технология конструкционных материалов. Изучение микроструктуры сталей после поверхностного упрочнения (закалка ТВЧ, цементация, азотирование): методические указания к выполнению лабораторной работы № 12 для студентов очной изаочной форм обучения всех специальностей –

2-е изд., перераб. и доп. - Брянск: БГТУ, 2008. – 18 с.

 

 

Разработали:

В.П.Мельников

канд. техн. наук, доц.,

С.В.Давыдов

д-р. техн. наук, проф.

 

Рекомендовано кафедрой «Технология металлов и металловедение» БГТУ (протокол № 6 от 30.10.07 г.)

 

 

Печатается по изданию: Материаловедение, материаловедение и технология конструкционных материалов. Изучение микроструктуры сталей после поверхностного упрочнения (закалка ТВЧ, цементация, азотирование): методические указания к лабораторной работе № 12 для студентов дневной изаочной форм обучения всех специальностей. – Брянск: БИТМ, 1990. – 13 с.

 

 

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

 

Цель работы – ознакомиться с методами поверхностного упрочнения и их влиянием на надежность и долговечность работы деталей.

Задачи работы - изучить микроструктуру и твердость поверхностных слоев и сердцевины стальных деталей после закалки ТВЧ, цементации и азотирова­ния. Ознакомиться с методами определения глубины слоя закалки, цементации и азотирования.

Продолжительность работы – 4 часа.

 

Необходимое оборудование и материалы

 

1. Металлографический микроскоп для изучения микроструктуры и измерения глубины слоя.

2.Макротемплеты и микрошлифы от деталей, подвергнутых:

- закалке ТВЧ (обр.№1 и №2);

- цементации, закалке и низкотемпературному отпуску (обр. № 3...6);

- закалке, высокотемпературному отпуску и азотированию (обр. № 7…8);

3. Образцы с указанием марки стали.

 

ЗАДАНИЕ И ПОРЯДОК РАБОТЫ

 

1. Провести макро- и микроанализ шлифов коллекции образцов от деталей, подвергнутых закалке ТВЧ,цементации и азотированию. Изучить и зарисовать микроструктуру.

2. Определить глубину поверхностных слоев (после цементации и азотирования по микроструктуре; после закалки ТВЧ по микроструктуре и микротвердости по Виккерсу).

За глубину слоя цементации принимают расстояние от поверхности до полуперлитной зоны (50 % перлита + 50 % феррита). В этой зоне концентрация углерода ~ 0,4 %.

Глубина закаленного при ТВЧ слоя определяется либо по макро-структуре, либо измерением твердости по Виккерсу (или микротведости). Во втором случае за глубину закаленного слоя принимают расстояние от поверхности до полумартенситной структуры (50 %мартенсита + 50 %троостита).

3. Замерить твёрдость поверхностных слоев и сердцевины (после закалки ТВЧ и цементации на приборе Роквела, после азотирования на приборе Виккерса).

Составить отчет, в котором:

-описать особенности каждого способа, излагая кратко, четко и по существу изучаемого вопроса.

-привести данные результатов измерений твёрдости и глубин слоев (табл.1);

Таблица 1

Технологические параметры упрочненной поверхности

№ образца Вид поверхностной обработки Марка стали Глубина слоя, мм Твердость
Поверхности Сердцевины
HB HRC (HV) HB HRC (HV)
         
               

 

- сопоставить твердость поверхностных слоев и сердцевин и дать сравнительный анализ;

- изучить, зарисовать и описать микроструктуру поверхностных слоев и сердцевин;

- привести данные о рекомендуемых глубинах закалки ТВЧ, цементации, азотирования, концентрациях: насыщения углеродом при цементации в практике;

- объяснить, за счет чего увеличивается надежность и долговечность работы деталей в каждом случае;

- указать условия целесообразности применения того или иного вида обработки, марки применяемых сталей.

 

Техника безопасности

При выполнении лабораторной работы студенты проходят инструктаж по технике безопасности, который проводит преподаватель, ведущий учебное занятие, с соответствующей записью в журнале по технике безопасности.

 

 

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ЗАКАЛКЕ ТВЧ,

ЦЕМЕНТАЦИИ, АЗОТИРОВАНИИ

 

Общая часть

 

в практике рабочая поверхность многих контактирующих в работе друг с другом деталей истирается (изнашивается), либо работает с большими контактными нагрузками[1] (рис.1). В ряде случаев между контактирующими поверхностями деталей (сопряженными парами) кроме истирания возможно адгезионное схватывание (сваривание), что приводит к образованию задиров (вырывов металла) на рабочей поверхности.

 

 

Рис.1. Примеры условий работы контактирующих деталей:

а - истирание (износ) поверхностей и изгиб зубьев шестерен;

б - работа с контактными нагрузками (обкатка ролика по кулачной шайбе);

в - истирание (износ) и адгезионное схватывание взаимнотрущихся

поверхностей плунжерной пары

 

 

Это ведет к нарушению (ухудшению) условий работы деталей пар (рис.1в). Одновременно с этим сердцевина2 деталей может воспринимать циклические, переменные и ударные нагрузки, а в некоторых случаях работать еще и на срез1.

Для обеспечения нормальной (надежной) работы деталей сопряженных пар такого типа, кроме высокой твердости, износостойкости контактной прочности или задиростойкости2 поверхностных слоев, необходимо, чтобы сердцевина деталей во многих случаях обладала пластичностью и особенно ударной вязкостью. В таких условиях обычно работают поршневые пальцы, всевозможные шестерни, втулки и ролики приводных цепей, распредвалы и др.

К обработкам, позволяющим существенно изменять свойства поверхностных слоев, сохраняя пластичной и вязкой сердцевину деталей, относятся различные виды химико-термических обработок (цементация, азотирование и др.) и поверхностных закалок (например, закалка ТВЧ).

 

Поверхностная закалка ТВЧ3

 

Поверхностная закалка при нагревании токами высокой частоты осуществляется на специальных установках ТВЧ. При этом способе металлическая деталь 1 (рис.2) помещается в концентрированное переменное электромагнитное поле, создаваемое индуктором 2, вследствие чего в поверхностном слое детали возбуждаются (индуктируются) высокой плотности вихревые токи4, тепловая энергия которых почти вся выделяется в этом же слое и вызывает его нагрев.

Изменяя силу тока, можно получить любую скорость нагрева, температуру и глубину прогрева. После нагрева поверхностного слоя деталь 1 перемещается в спрейер 3 (душирующее устройство) для интенсивного охлаждения5.

Рекомендуемые глубины закаленных слоев:

- 1,5...3 мм - детали, работающие на истирание (износ), усталость;

- 4...5 мм - детали, работающие в условиях смятия(продавливающих нагрузок), а в ряде случаев еще и с последующей перешлифовкой;

- 10...15 мм - детали, работающие с большими контактными нагрузками.

На рис.3 дан пример макроструктуры стальной детали с поверхностно закаленным слоем.

 

 

 

Рис.2. Индукционный нагрев: а - схема индукционного нагрева; б – закалка; I – закалка при одновременном нагреве всей поверхности; II – закалка при непрерывно-последовательном нагреве; 1 – деталь; 2 – индуктор; 3 – спрейер;

4 – силовые линии электромагнитного поля

 

Рис.3. Макроструктура зуба шестерни (а) и зубьев звездочки (б) после ТВЧ-закалки. Темные участки - закаленный слой после травления

 

Детали, подвергаемые поверхностной закалке, чаще всего изготовляют из обычной среднеуглеродистой стали с содержанием углерода 0,4…0,5%. При меньшем содержании углерода трудно получить высокую твердость. При большой концентрации углерода стали склонны к образованию трещин и хрупкому разрушению в эксплуатации. При правильной конструкции закалочного устройства, обеспечивающего равномерное охлаждение, закалка ТВЧ позволяет закаливать стали с любым содержанием углерода (до 1,0…1,2%) без трещин. Поверхностный слой стали имеет структуру из очень мелкоигольчатого мартенсита (рис.4) и отличается твердостью на 2 ... 4 HRC выше, чем после закалки с печного нагрева.

Твердость, близкую к максимально достижимой, можно получить уже при содержании углерода в стали около 0,6 %.

 

 

а

 

б

 

 

Рис.4. Микроструктура поверхностного слоя зуба шестерни после ТВЧ-закалки, х200, травление ниталем: а – мелкоигольчатый мартенсит;

б – троосто-сорбит

 

В табл.2 приведен пример поверхностной твердости некоторых сталей после закалки ТВЧ.

 

 

Таблица 2

Твердость сталей после закалки ТВЧ

 

Марка стали НRC до отпуска Марка стали HRC до отпуска
  50... 55 35Г2 53... 58
  55... 60 45Г2 56… 61
  57...62 50Г 57… 62
65Г 59... 63 40ХНМ 55... 60
У8 60...64 ШХ15(~1%C) 62... 64
45Х 50... 61 40ХН 55…60

Цементация

Цементация - процесс диффузионного насыщения углеродом при температуре 880...930 °С поверхности деталей из железа или малоуглеродистых (до 0,З5%С)1 сталей. Стали могут содержать и легирующие элементы (хром, никель, молибден, вольфрам, титан).

Производится цементация в специальных цементационных печах в среде углеродосодержащих газов. Глубина насыщения (слоя) для мелких деталей обычно составляет 0,1...0,3 мм, в остальных случаях - от 0,5 до 2,5 мм (наиболее часто 0,6...1,2мм).

На работоспособность цементируемой детали большое (часто решающее) влияние оказывает концентрация углерода в насыщенном слое; при 0,6...0,6% обеспечивается максимальное сопротивление хрупкому разрушению; усталостная прочность при изгибе достигает максимальных значений при 0,8...1,05%, а максимальные значения контактной выносливости получаются при содержании углерода в пределах 1,0...1,25%.

Цементованный слой имеет переменную концентрацию углерода по своей толщине – она снижается от поверхности по направлению к сердцевине детали. В связи с этим изменяется по сечению цементованного слоя и микроструктура, как после медленного охлаждения с температуры цементации, так и после последующей термической обработки. На рис. 5 показано изменение микроструктуры по сечению цементованного слоя при насыщении его поверхностной зоны углеродом свыше 0,8%.

Микроструктура науглероженного слоя у поверхности соответствует строению заэвтектоидной стали (П+ЦII), в которой вторичный цементит наблюдается в виде сетки по границам перлитных колоний (рис.5, а). С понижением углерода до 0,8% микроструктура (рис.5, б) соответствует эвтектоидной стали (П). За эвтектоидной зоной следует доэвтектоидная структура, переходящая в структуру исходной стали, содержащей феррит и перлит (рис.5, в).

 

 


а)

 

б)

 

В) в)

 

Рис.5. Структура цементованного слоя углеродистой стали 15, х100,

травление ниталем: а – заэвтектоидная (П+ЦII); б – эвтектоидная (П);

в-доэвтектоидная (Ф+П)

 

Для получения в поверхностном слое высокой твердости (57... 63HRC) изделия после цементации подвергают закалке с низкотемпературным отпуском. На рис.6 показана микроструктура цементованного слоя после термической обработки.

 

 

а)

 

б)

 

 

в)

 
 

 

 

Рис.6. Структура цементованного слоя после термообработки, х50, травление ниталем: а – мелкоигольчатый мартенсит (М+Аост), х500; б – крупноигольчатый мартенсит или троостомартенсит (М+Тр), х500;

в - основная структура (П+Ф), х500

 

В результате термической обработки поверхностный слой приобретает структуру мелкоигольчатого мартенсита (рис.6, а) с небольшими изолированными участками остаточного аустенита1. При содержании углерода свыше 0,8 % микроструктура содержит еще карбиды (цементит). Карбиды (цементит) в форме сетки по границам зерен резко увеличивают хрупкость. Недопустимы в значительном количестве и изолированные включения карбидов, так как они также снижают вязкость цементованной стали, особенно в углах и торцах деталей.

Под мелкоигольчатым мартенситом располагается зона троостомартенсита (рис.6, б), плавно переходящая в основную структуру, состоящую из феррита и перлита (рис.6, в). Для улучшения вязкости сердцевины деталей рекомендуется применять стали с мелким наследственным зерном (6…8 баллов).

Подобная микроструктура дает возможность судить о глубине цементирования, т.е. насколько далеко от поверхности простирается зона науглероженного металла. За эффективную толщину цементированного слоя принимают расстояние от поверхности детали до половины переходной зоны (зона Ф+П, на рис.6, в), где структура соответствует стали, содержащей 0,4…0,45%С, что соответствует твердости 50НRС.

Глубина цементации – наиболее важная характеристика производственного процесса. Она определяется по излому, микроструктуре или путем химического анализа стружки, послойно снимаемой с упрочненной поверхности детали.

В тяжелонагруженных деталях1, работающих в сложных условиях весьма важное значение имеет и твердость сердцевины, для обеспечения наилучшей работоспособности и надежности. Твердость сердцевины таких деталей должна выдерживаться в пределах 29...43 HRC (такую твердость в сердцевине получают в легированных сталях) и иметь микроструктуру из низкоуглеродистого мартенсита или нижнего бейнита2.

В заключение приведена характеристика некоторых реально применяемых марок цементуемых сталей:

- при средних нагрузках - стали 20, 15Х,20Х,15ХР,18ХГН,20ХФ (среднепрочные с пределом прочности порядка 700 МПа; ударная вязкость свыше 60 Дж/см2);

- при повышенных нагрузках - стали 12Х2Н4А, 20ХН3А, 20Х2Н4А (с прочностью ~ 950…1150 МПа);

- при больших статических и ударных нагрузках -стали 18ХН4МА, 18Х2Н4ВА (высокий комплекс механических свойств: предел прочности 1000...1200 МПа, ударная вязкость больше 60 Дж/см2).

 

Азотирование

 

Азотирование (нитрирование) - диффузионное насыщение поверхности деталей азотом при температуре 500...520 °С.

Детали, подлежащие азотированию с указанными ранее целями, изготовляют обязательно из сталей, легированных: Cr-Ni, Cr-Mo, Cr-Ni-W, Cr-Ni-Mo,Cr-Mo-Al и др. легирующие элементы повышают твердость азотированного слоя (особенно алюминий). До азотирования детали еще в заготовках подвергают термическому улучшению: закалке и высокотемпературному отпуску на сорбит.

Азотирование проводят в специализированных печах в потоке аммиака NH3.После азотирования термическая обработка не требуется, так как высокая твердость поверхностного слоя обеспечивается непосредственно в процессе азотирования и последующего медленного охлаждения1. Твердость азотированного слоя в зависимости от марки стали колеблется в пределах 1000... 1300 НV2 (твердость поверхностного слоя после цементации 706... 830 НV). Глубина слоя - 0,25...0,45мм (в отдельных случаях до 0,8 мм). Микроструктура азотированного слоя (рис.7), если азотирование проводилось при температура ниже 591С, состоит из e, g¢ и a фаз3.

В процессе азотирования и последующем медленном охлаждении образуются еще зародыши нитридов, полностью когерентные с окружающей a -фазой.

 

 
 

 


А

 

 

а б

 

Рис.7. Структура азотированного слоя (по стрелке А) с нитридной корочкой, х100 (а) и х250 (б)

 

Однако e-фаза обладает чрезвычайно высокой (большой) хрупкостью. Поэтому в процессе азотирования стремятся не допускать образования e-фазы.

 

Сопоставление рассмотренных способов



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-07-02 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: