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