Лабораторна робота № 8
Структура і властивості цементованной сталі.
Мета роботи: ознайомитися з технологією цементації виробів та режимом термічної обробки, вивчити мікроструктуру цементованного шару, визначити його глибину.
Прилади: металографічний мікроскоп, набір мікрошліфов цементованних сталей після повільного охолодження і термічно оброблених.
Цементація - це один із способів хіміко-термічної обробки сталі, що полягає в поєднанні термічного та хімічного впливу з метою зміни складу, структури і властивостей поверхневого шару сталі. Процес цементації відомий з давніх пір. До середини минулого століття сталь вміли отримувати методом наскрізної цементації заліза.
Призначення цементації і наступної термічної обробки - надати поверхневому шару високу твердість, зносостійкість, підвищити межу витривалості при збереженні в'язкою і пластичної серцевини.
При цементації відбувається, поверхневе насичення стали вуглецем, в результаті чого утворюється високовуглецевий поверхневий шар.
Проникнення вуглецю в сталь можливо тільки в тому випадку, якщо вуглець знаходиться в атомарному стані. Атомарний вуглець абсорбується поверхнею сталі, і дифундує в глиб металу.
Тому цементація, як і будь-яка ХТО, включає три послідовні стадії:
1. Дисоціація-розпад молекул з утворенням активних атомів насичує елемента. Процес йде в газовому середовищі поблизу поверхні або безпосередньо на поверхні металу.
2. Абсорбція - поглинання поверхнею металу вільних атомів і розчинення їх у металі. Процес відбувається на кордоні, газ-метал і можливий за умови можливості розчинення диффундирующего елемента в основному метал.
3. Дифузія-проникнення насичує елемента углиб металу. Процес відбувається при досить високій температурі, що забезпечує необхідну енергію атомам.
У результаті дифузії на поверхні металу утворюється максимальна концентрація діфузірующего елемента, яка знижується в міру віддалення від поверхні (рис 1).
Глибина дифузійного шару, характеризується величиною "у", яка прямо пропорційно залежить від температури і часу процесу, концентрації диффундирующего елемента на поверхні.
Для цементації застосовуються низьковуглецеві і леговані сталі з вмістом вуглеці 0,1-0,3% Вибір таких сталей необхідний для того, щоб серцевина вироби, не насичуються вуглецем при цементації, зберігала високу в'язкість після гарту.
Деталі на цементацію надходять після механічної обробки з припуском (60-I00 мкм) на шліфування.
Цементація проводиться при температурі вище точки АС 3 (900-950 0 С), коли сталь знаходиться в стані g - фази (аустеніту) і здатна розчиняти в собі до 2% вуглецю.
Розрізняють два основних види цементації - у твердій і, в газо вої середовищах.
Тверда цементація зазвичай проводиться в до арбюрізаторе, що складається з суміші деревного вугілля з 10-40% активізують процес вуглецевих солей-BaCO 3, Na 2 CO 3, K 2 CO 3.
Деталі, що підлягають цементації, поміщаються в сталеві ящики засипаються карбюризатором і поміщаються і піч. Кисень повітря в ящику взаємодіє з вуглецем карбюризатора, утворюючи окис вуглецю. У присутності заліза вона дисоціює по рівнянню.
2 CO ® CO 2 + C QT
Атомарний вуглець дифундує в грати g - заліза і насичує його до межі, що визначається лінією: SE діаграми залізо-цементит.
Після цементізаціі ящики охолоджують на повітрі до 400-500 0 С і розкриває. Процес твердої цементації дуже тривалий і може тривати до десяти і більше годин, де багато часу витрачається на прогрівання ящиків.
Основним способом цементації в масовому виробництві на сьогоднішній день, значно скорочують тривалість процесу, є цементація в газових середовищах. Тут цементація здійснюється в шахтних печах періодичної дії, або в без муфельних печах безперервної дії. Як карбюризатора використовується природний газ, що складається в основному з метану (СН 4), рідкі вуглеводні (бензол, сінтін, гас і ін), що подаються у вигляді крапель в реторту печі і випаровуються з утворенням атомарного вуглецю.
Процес йде при температурі 900-950 0 С з основними реакціями:
СН 4 ® 2Н 2 + З атомарний
2СО ® СО 2 + З атомарний
Глибина науглероживания при цементації становить 0,5-2 мм при швидкості О, I2 - 0, I5 мм / год. Процес цементації змінює структуру сталі в поверхневому шарі. При оптимальному режимі цементації після повільного охолодження в структурі цементованного шару можна розрізнити три зони: (рис 2)
на поверхні заевтектоідную, що складається з перліту і вторинного цементиту, що утворює сітку по колишньому зерну аустеніту; звтектоідную, що складається з однорідного пластинчастого перліту і доевтектоїдних, що складається з перліту і фериту. У міру віддалення від поверхні до серцевини кількість перліту зменшується, а фериту збільшується.
За глибину цементованного шару приймається сума заевтектоідной, евтоктоідной і половини доеетектоідной зон (до змісту 0,4-0,5% С).
Незалежно від способу цементації концентрація вуглецю в поверхневому шарі не повинна перевищувати 1,1-1,2%. Більш високий вміст веде до підвищення крихкості сталі.
Завдання цементації - отримати високу поверхневу твердість і зносостійкість при в'язкої серцевині не вирішуються однієї цементацією. Цементацією досягається лише вигідне розподіл вуглецю за перерізом. Остаточно формує властивості цементованной деталі подальша гарт, після якої на поверхні виходить високовуглецевий мартенсит, а серцевина зберігає потрібну твердість і високу в'язкість. Після гарту для зняття внутрішніх напружень цементованних деталі піддають низькому відпуску при температурах 150-200 0 С.
У результаті забезпечується твердість поверхні HRC 58-62 і серцевини - HRC 25-35 для легованих сталей. Для вуглецевих твердість серцевини ще нижче.
При призначенні режиму термічної обробки цементованних деталей необхідно враховувати наступні обставини:
l. Тривалий нагрівання при цементації викликає зростання аустенітного зерна.
2. Цементованних деталі мають нерівномірний розподіл вуглецю по перетину - 0,8-1,2% з поверхні і 0, I-0, 3% - у серцевині.
У залежності від вимог, які пред'являються до цементованних деталей, застосовуються різні варіанти термічної обробки (рис 3).
1. Гарт з цементаційних нагріву (900-950 0 С). Це найбільш простий спосіб, застосовується після газової цементації для деталей, від яких вимагається лише поверхнева твердість. Інші механічні властивості тут невисокі, тому що при такому режимі не усувається грубозернистої будова, отриманий в результаті тривалої витримки при цементації. На поверхні утворюється структура крупно голчастого мартенситу з великою кількістю залишкового аустеніту через гарту з високих температур, що веде до зниження твердості. У серцевині структура крупнозернистих фериту і цементиту.
Однак гартування з цементаційних нагріву забезпечує мен шую деформацію деталей і значно дешевше в порівнянні з іншими режимами.
Недоліки цього способу в значній мірі можна зменшити, якщо застосовувати:
1) спадково дрібнозернисті сталі;
2) подстужіваніе після цементації до 750-800 0 С; це не знижує кількість А зуп., Але зменшує внутрішні напруги:
3) обробку холодом, яка забезпечує додаткове перетворення А зуп. і підвищення твердості поверхневого шару.
П. При підвищених вимогах до структури і властивостей деталей вони охолоджуються після цементації на повітрі, а потім піддається загартуванню з температури 650-900 0 С, яка вище верхньої критичної точки (АС3) для серцевини і поверхні. У результаті в серцевині відбувається повна перекристалізація і зерно подрібнюється. У поверхневому шарі розчиняється цементітную сітка, якщо вона утворилася при цементації і утворюється структура крупно голчастого мартенситу, тому що таке нагрівання є перегрівом для еазвтектоідной сталі (оптимальною температурою нагріву заевтектоідной стали під загартування є А С1 + (30 +50 0 С).
Кінцевою операцією є низький відпустку при температурі 150-170 0 С.
III. При особливо високих вимогах до цементованних деталей застосовується подвійна гартування з низьким відпусткою. Перша гарт проводиться з температур вище критичної точки АС 3 серцевини. Мета її - зменшити структуру серцевини і розчинити цементітную сітку, в поверхневому шарі.
Друга гарт проводиться з температур, оптимальних для поверхневого шару (на 30-50 0 С вище А С1). Мета її - усунути перегрів на поверхні, отриманий при першій загартуванню та забезпечити структуру дрібно голчастого мартенситу з вкрапленим надлишковим цементитом. У серцевині також забезпечується дрібнозерниста структура.
Цементація з наступною термічною обробкою підвищує межу витривалості виробів через утворення в поверхневому шарі значних залишкових напружень стиску (400-500 МПа) і різко знижує чутливість до концентраторів напружень. Зносостійкість і контактна міцність цементованних сталей висока і досягає 2000 МПа.