Методические указания к выполнению лабораторной работы №12 для студентов очной и заочной форм обучения всех специальностей

Вид материала

Содержание

Подобный материал:

Утверждаю

Ректор университета

__________________А.В.Лагерев

«____»____________2008 г.

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

И ТЕХНОЛОГИЯ конструкционных МЕТАЛЛОВ

ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ СТАЛЕЙ 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 и заочной 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 и заочной 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 сердцевина^² деталей может воспринимать циклические, переменные и ударные нагрузки, а в некоторых случаях работать еще и на срез^¹.

Для обеспечения нормальной (надежной) работы деталей сопряженных пар такого типа, кроме высокой твердости, износостойкости контактной прочности или задиростойкости^² 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 ТВЧ^³

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 токи^⁴, 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 охлаждения^⁵.

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
35	50... 55	35Г2	53... 58
45	55... 60	45Г2	56… 61
50	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+Ц_II), 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+Ц_II); 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+А_ост), 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 аустенита^¹. 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 деталях^¹, 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 бейнита^².

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 охлаждения^¹. Твердость азотированного слоя в зависимости от марки стали колеблется в пределах 1000... 1300 НV^² (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 , ^ и  фаз^³^.

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

А

а б

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

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

Сопоставление рассмотренных способов

поверхностного упрочнения

При всех методах поверхностного упрочнения в поверхностных слоях создаются благоприятные остаточные напряжения сжатия^¹ (до 300...600 МПа, а в случае азотирования до 1000 МПа и более), которые существенно повышают усталостную прочность деталей^², уменьшают их чувствительность к концентраторам напряжений и увеличивают контактную прочность.

Детали после закалки ТВЧ обладают высокой статической и усталостной прочностью, высокой износостойкостью, контактной прочностью и малой чувствительностью к концентраторам напряжений. Но чаще всего закалку ТВЧ производят для увеличения износостойкости.

В сравнении со сквозной закалкой с печного нагрева при закалке ТВЧ отсутствуют явления окисления и обезуглероживания поверхности при нагреве. Закалка ТВЧ с успехом применяется вместо цементации, сквозной закалки с отпуском, так как позволяет снизить стоимость термической обработки, повысить производительность, получить значительную экономию легирующих элементов. Однако при закалке ТВЧ внешняя форма деталей имеет важнейшее значение. У многих деталей внешняя форма такова, что исключает возможность применить к ним такую закалку.

Назначение цементации деталей с последующей термической обработкой - придать их поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел контактной выносливости или предел выносливости (усталостной прочности) при изгибе и кручении. Однако себестоимость упрочнения цементацией примерно в 2,5…3 раза выше по сравнению с закалкой ТВЧ.

Азотирование следует использовать для деталей, испытывающих высокие циклические нагрузки при умеренных контактных напряжениях и работающих в условиях трения скольжения (или абразивного износа), а также в случаях, когда требуется низкая склонность к задирам.

Положительное влияние азотирования тем сильнее, чем меньше размеры поперечного сечения деталей и больше в ней концентраторов напряжений. Контактная усталостная прочность у азотированных сталей ниже, чем цементованных, но выше, чем у сталей после закалки ТВЧ. Толщина азотированного слоя деталей, работающих с контактными нагрузками, должна быть не менее 0,45...0,5 мм. Износостойкость азотированного слоя в 1,5…4 раза выше износостойкости закаленных высокоуглеродистых сталей, а также цементованного слоя.

При азотировании практически отсутствуют объемные изменения и коробление деталей.

Недостатки азотирования - высокая хрупкость и малая толщина слоя, необходимо изготавлять детали из легированных сталей, длительность процесса наибольшая.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Назовите варианты возможных условий работы сопряженных пар деталей.

2. Какими свойствами должны обладать поверхностные слои и сердцевина деталей в каждом случае для обеспечения нормальной (надежной) работы?

3. Назовите виды обработки, позволяющие существенно изменять свойства поверхностных слоев.

4 . Как нагревается деталь при закалке ТВЧ?

5. Рекомендуемые глубины закаленных слоев в зависимости от условий работы деталей.

6. При каком содержании углерода в стали можно достичь твердости, близкой к максимальной?

7. Одинаковы ли твердость и микроструктура стали в поверхностном слое после закалки с печного нагрева и нагрева ТВЧ?

8. Какой процесс называют цементацией и какие конструкционные стали (указать содержание углерода) следует использовать для данного процесса?

9. Из каких соображений устанавливается величина концентрации углерода в насыщенном слое? Какова при этом микроструктура цементированного слоя после окончательной термической обработки?

10. В каких пределах может изменяться глубина слоя цементации?

11. Какой термической обработке подвергают цементирование детали, и с какой целью?

12. Каким образом можно улучшить вязкость сердцевины деталей?

13. Назовите рекомендуемые соотношения твердости поверхностного слоя и сердцевины в случае применения легированных сталей.

14. Какой процесс называют азотированием? Какие стали рекомендуется применять?

15. Назовите микроструктуру, уровень твердости и глубину азотированного слоя?

16. Какой термической обработке подвергают детали, назначаемые на азотирование?

17. За счет чего улучшается работоспособность деталей после закалки ТВЧ, цементации и азотирования?

18. Когда целесообразно применять закалку ТВЧ, цементацию и азотирование?

19. При какой обработке себестоимость упрочнения деталей ниже?

20. Какие достоинства и недостатки характерны для цементации и азотирования?

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Солнцев, Ю.П. Материаловедение: учеб. для вузов/ Ю.П.Солнцев, Е.И.Пряхин: под ред Ю.П.Солнцева. – 4-е изд. перераб. и доп. – СП.б.: Химиздат, 2007. – 784 с.
Арзамасов, Б.М. Материаловедение: учеб. для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.Н. Макарова, Г.Г. Мухин [и др.]: под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. – 5-е изд., стер. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. – 648 с.
Лахтин, Ю.М. Материаловедение / Ю.М.Лахтин. – М.: Машиностроение, 1990. - 528 с.
Гуляев, А.П. Металловедение / А.П. Гуляев. – М.: Металлургия, 1986.- 544 с.
Лахтин, Ю.Н. Металловедение и термическая обработка металлов / Ю.Н. Лахтин. – М.: Металлургия, 1984.- 321с.
Термическая обработка в машиностроении: справочник / под ред. Ю.М.Лахтина, А.Г.Рахштадта. – М.: Машиностроение, 1980.- 783 с.
Методика исследования микротвердости поверхностных слоев металла. – Брянск: БИТМ, 1984.-11 с.

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 и заочной форм обучения всех специальностей

Мельников Валентин Павлович

Давыдов Сергей Васильевич

Научный редактор С.В.Давыдов

Редактор издательства Л.И.Афонина

Компьютерный набор Д.А.Ковтуненко

Иллюстрации В.П.Мельников, С.В.Давыдов

Темплан 2008 г., п.98

Подписано в печать 01.11.07. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Офсетная печать. Усл. печ.л. 1,04. Уч.-изд.л. 1,04. Тираж 40 экз. Заказ . Бесплатно.

Брянский государственный технический университет.

241035, Брянск, бульвар 50-летия Октября, 7, БГТУ. 58-82-49.

Лаборатория оперативной полиграфии БГТУ, ул. Институтская, 16.

1 В этом случае условия работы нарушаются вследствие смятия, разрушения рабочей поверхности деталей.

2 Сердцевина - материал детали под упрочненным слоем, не затронутый ни химическим воздействием, ни закалкой.

1 При недостаточной пластичности и вязкости материала возможны поломки (разрушения) деталей.

2 Низким адгезионным схватыванием.

3 ТВЧ - токи высокой частоты.

4 Той же частоты, что и в индукторе.

5 Со скоростью большей критической скорости закалки стали

1 Надо помнить, что хрупкость цементованных деталей в целом, изготовленных из среднеуглеродистых сталей (0,3...0,35%), возрастает с уменьшением сечения деталей и усложнением конфигурации (особенно при отрицательных температурах).

1 Содержание остаточного аустенита в цементованном слое не должно превышать 15...20 %, так как значительно снижается прочность и др. эксплуатационные свойства цементованной детали.

1 Например зубчатые колеса и шестерни.

2 Недопустимы выделения структурно свободного феррита - резко снижается усталостная прочность, а также ударная вязкость.

1 Поэтому детали практически не имеют коробления и деформаций, что позволяет применять азотирование в точном машиностроении (например, при изготовлении шестерен с зацеплением сложной формы).

2 Твердость по Виккерсу.

3 -фаза – твердый раствор на базе нитрида Fe_2-3N(4.55-11%N); ^-фаза – твердый раствор на базе нитрида Fe₄N(5,3-5,7% N); -фаза - твердый раствор азота в -железе при 20^оС – 0,004%N, при 590^оС-0,11%N.

1 Напряжения 1 рода.