Исследование влияния скорости охлаждения на свойства стали план урока

Обновлено: 04.07.2024

Цель работы: научиться выбирать оптимальную температуру нагрева под закалку сталей с различным содержанием углерода.

Материальное обеспечение: снимки микроструктур сталей 40, У8,У12; оборудование для изготовления шлифов; твердомер.

Задачи исследования: изучить влияние температуры нагрева на микроструктуру и твердость сталей после закалки.

Теоретическая часть

Целью любого процесса термической обработки (ТО) является получение желаемой структуры сплава (следовательно, и свойств сплава) путем нагрева до определенной температуры выдержки и последующего охлаждения с определенной скоростью.

В зависимости от уровня полученных механических свойств ТО делят на упрочняющую и умягчающую. К упрочняющим видам ТО относятся различные способы закалки и термомеханическая обработка (ТМО).

Закалка с полиморфным превращением – это операция ТО, включающая нагрев выше температуры фазового превращения и последующее охлаждение со скоростью, превышающей критическую скорость, необходимую для получения мартенситной структуры.

Рис. 1.1

Применительно к стали, нагрев под закалку должен осуществляться выше критических точек и , а последующее быстрое охлаждение должно быть таким, чтобы предотвратить распад аустенита на феррито-цементитную структуру.

Выбор оптимальной температуры нагрева под закалку является одним из главных условий, обеспечивающих высокое качество закалки.

При закалке доэвтектоидных сталей до температур, лежащих в межкритическом интервале ( - , в структуре наряду с мартенситом будет находиться феррит, который снижает твердость закаленной стали. Такая закалка называется неполной и применяется очень редко, в основном для низкоуглеродистых сталей с целью получения высокой технологической пластичности. Следовательно, доэвтектоидные стали целесообразно нагревать под закалку до температур + 30…50°С.

Неконтролируемый рост аустенитных зерен при нагреве называется перегревом.

Пережог – выделение по границам зерен аустенита легкоплавких соединений (как правило сульфидов).

Перегрев является устранимым , а пережог неустранимым дефектом ТО.

В заэвтектоидной стали при закалке от температур выше , но ниже , наряду с мартенситом будет находиться цементит.

Наличие в структуре закаленной стали избыточного цементита во многих отношениях полезно. Например, включение избыточного цементита повышает износостойчивость стали.

Нагрев заэвтектоидных сталей производят до температуры: +30…50°С.

Рис. 2.2

Нагрев заэвтектоидной стали выше температуры нецелесообразен, т.к. он не только не повышает твердость стали после закалки, а наоборот снижает ее твердость вследствие растворения избыточного цементита. Кроме того, при нагреве выше температуры растет зерно аустенита, интенсивнее происходит обезуглероживание стали с поверхности, увеличивается расход газа и электроэнергии, увеличивается опасность возникновения высоких закалочных напряжений.

Нагрев доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей до температур, значительно превышающих температуры и приводит к перегреву и дальнейшему пережогу стали. Перегретая сталь в закаленном состоянии характеризуется грубым крупноигольчатым строением и низкими механическими свойствами.

При нагреве происходит образование легкоплавких прослоек по границам аустенитных зерен, сталь при этом становится непригодной для использования.

Для углеродистых сталей температуру закалки определяют по диаграмме железо-углерод.

Порядок выполнения работы

1. Сталь 40 нагревают до:

2. Сталь У8 нагревают до:

3. Сталь У12 нагревают до:

Лабораторная работа №2

Исследование влияния скорости охлаждения при термической обработке на микроструктуру и твердость углеродистых сталей

Цель работы: научиться выбирать скорость охлаждения (охлаждающую среду) при термической обработке (ТО) углеродистых сталей для получения требуемой структуры и твердости.

Материальное обеспечение: набор эталонных образцов и снимков микроструктур исследуемых сталей; муфельные лабораторные печи; закалочные бочки; наждачный круг; шлифовальная бумага; спиртовые растворы для выявления микроструктуры стали; твердомер.

Задачи исследования: изучить влияние скорости охлаждения на микроструктуру и твердость сталей с различным содержанием углерода; оценить охлаждающую способность различных сред.

Продолжительность работы – 4 ч.

Теоретическая часть

На формирование структуры стали при ТО огромное влияние оказывает скорость охлаждения. Если сталь, нагретую до аустенитного состояния, охлаждать с различными скоростями, то температура распада переохлажденного аустенита понижается тем больше, чем больше скорость охлаждения. При диффузионном распаде аустенита образуется феррито-цементитная структура.

Пластинки цементита растут вглубь зерна аустенита, при этом соседние микрообъемы объединяются углеродом и превращаются в феррит. Так формируется феррито-цементитная смесь.

В зависимости от скорости охлаждения стали, из аустенита могут сформироваться следующие структуры.

Перлит (П) –крупнопластинчатая смесь феррита и цементита; образуется при медленном охлаждении (кривая 1, рис. 2.1). Твердость пластинчатого перлита эвтектоидной стали составляет 230НВ.

При увеличении скорости охлаждения (кривая 2, рис. 2.1) образуется структура Сорбит (С), у которого более высокая степень дисперсности, чем у перлита. Твердость сорбита 230-330 НВ.

Троостит (Т) – высокодисперсная смесь феррита и цементита, которая образуется при переохлаждении аустенита углеродистой стали до температур 500-550°С (кривая 3, рис. 2.1). Твердость троостита 300-400НВ.

Перлит, сорбит и троостит, образующиеся из аустенита, имеют пластинчатое строение. Эти структуры называют структурами перлитного типа.

Рис. 2.1 Схема наложения кривых охлаждения на диаграмму изотермического распада аустенита.

В зависимости от скорости охлаждения возможно получение не только структур перлитного типа. При определенной скорости охлаждения (кривая 4, рис. 2.1), часть аустенита распадается на феррито-цементитную смесь и часть остается нераспавшейся. При дальнейшем понижении температуры нераспавшийся аустенит начинает превращаться в Мартенсит. Это превращение начинается при температуре Мн и заканчивается при температуре Мк. В результате образуется структура мартенсит и троостит закалки.

Дальнейшее увеличение скорости охлаждения (кривая 5, рис. 2.1) препятствует протеканию диффузионных процессов распада аустенита, поэтому он переохлаждается до температуры Мн, а затем происходит бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит. При такой скорости охлаждения структура стали представляет собой мартенсит и определенное количество остаточного аустенита, которое зависит от химического состава стали.

При мартенситном превращении происходит лишь перестройка ГЦК решетки аустенита в ОЦК решетку феррита без выделения из раствора углерода, что приводит к искажению кубической решетки до тетрагональной. Чем больше углерода было в аустените, тем большую степень тетрагональности будет иметь кристаллическая решетка мартенсита, тем тверже закаленная сталь.

Превращение аустенита в мартенсит протекает в интервале температур Мн и Мк только при непрерывном охлаждении и характеризуется высокой скоростью роста зародышей в пределах 1000-7000 ш/с. Первые пластинки мартенсита обычно ориентированы относительно друг друга под углом 60° или 120°.

Размеры пластинок мартенсита определяются величиной исходного зерна аустенита. Чем больше зерно аустенита, тем крупнее пластины мартенсита. Превращение аустенита в мартенсит сопровождается увеличением объема.

Порядок выполнения работы

1. Нагревают по 4 образца доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтетоидной стали до оптимальной температуры. Время нагрева определяется .

2. Затем по одному образцу каждой марки стали охлаждают:

а) в воде (скорость охлаждения около 600°С/с)

б) в масле (скорость охлаждения около 150°С/с);

в) на воздухе (скорость охлаждения около 30°С/мин);

г) с печью (скорость охлаждения около 5-10°С/мин);

3. Охлажденные образцы зачищают от окалины с двух сторон и испытывают на твердость по методу Роквелла с применением алмазного конуса при нагрузке 150 кг или шарика при нагрузке 100 кг (в зависимости от предлагаемой твердости).

4. После замеров твердости, с одной стороны каждого образца изготавливают микрошлиф, травят его в 4-% спиртовом растворе азотной кислоты и изучают микроструктуру.

Результаты замеров твердости и исследования микроструктуры заносят в сводную таблицу.

На основании данных таблицы строят графики изменения твердости в зависимости от скорости охлаждения и делают вывод о том, какая охлаждающая среда обеспечивает получение максимальной твердости при закалке доэвтетоидной, эвтетоидной и заэвтектоидной стали.

Марка стали	Охлаждающая среда	Примерная скорость охлаждения, °С/с(мин)	Микроструктура	Твердость, НВ
вода	600°С/с
масло	150°С/с
воздух	30°С/мин
с печью	5-10°С/мин
вода	600°С/с
масло	150°С/с
воздух	30°С/мин
с печью	5-10°С/мин
вода	600°С/с
масло	150°С/с
воздух	30°С/мин
с печью	5-10°С/мин
вода	600°С/с
масло	150°С/с
воздух	30°С/мин
с печью	5-10°С/мин

Методические указания

При выполнении работы особое внимание следует уделить:

- выработке навыков проведения ТО в различных охлаждающих средах;

-умению определять конечную микроструктуру при известных скоростях охлаждения;

-оценке закалочной способности охлаждающей среды;

-правильности выбора охлаждающей среды для конкретной марки стали в зависимости от требуемых свойств;

-закреплению умения выбирать оптимальную температуру нагрева под закалку.

При исследовании микроструктуры необходимо обратить внимание на зависимость степени дисперсности феррито-цементитной структуры от скорости охлаждения при ТО сталей.

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №5

Тема: Термическая обработка стали

Цель работы: изучить технологию термической обработки стали (закалка, отпуск, нормализация, отжиг) и познакомиться с закономерностями изменения твердости образ-цов стали в исходном (г.к.) состоянии и после термообработки.

Оборудование и материалы: компьютер, проектор, экран, учебник Л.В. Журавлева Электроматериаловедение; слайдовая презентация; образцы материалов: сталь.

Порядок выполнения работы:

Просмотреть видеоматериал о способах термической обработки стали.

Изучить технологию термической обработки стали, влияние температуры на физические свойства стали.

- сущность термической обработки стали.

- виды термической обработки стали.

- цель закалки стальных изделий.

- отпуск стали после закалки.

- сущность отжига, нормализация стали?

4. Сделать вывод о работе.

5. Оформить отчет.

Домашнее задание: Выучить основные способы химико-термической обработки стали, их назначение и применение.

Раздаточный материал к лабораторно-практической работе №5

1. Основы термической обработки

Термическая обработка – это технологический процесс, состоящий из нагрева стали до определенной температуры выдержка при этой температуре определенной время и охлаждения при заданной скорости с целью изменения его структуры и свойств.

На стадии изготовления деталей строительных конструкций необходимо, чтобы металл был пластичным, нетвердым, имел хорошую обрабатываемость резанием.

В готовых изделиях всегда желательно иметь материал максимально прочным, вязким, с необходимой твердостью.

Такие изменения в свойствах материала позволяет сделать термообработка. Любой процесс термообработки может быть описан графиком в координатах температура-время и включает нагрев, выдержку и охлаждение. При термообработке протекают фазовые превращения, которые определяют вид термической обработки.

Температура нагрева стали зависит от положения ее критических точек и выбирается по диаграмме состояния Fe – Fe3С в зависимости от вида термической обработки. Критические точки (температуры фазовых превращений) определяют: линия PSK – точку А1, GS – точку А3 и SE – точку Аm. Нижняя критическая точка А1 соответствует превращению А  П при 727ОС. Верхняя критическая точка соответствует началу выделения феррита из аустенита (при охлаждении) или концу растворения феррита в аустените (при нагреве). Температура линии SE, соответствующая началу выделения вторичного цементита из ау-стенита, обозначается Аm.

Время нагрева до заданной температуры зависит, главным образом, от химического состава стали и толщины наиболее массивного сечения детали (в среднем 60 с на каждый миллиметр сечения).

Рис. 1. Печь для термической обработки

Выдержка при температуре термообработки необходима для завершения фазовых превраще-ний, происходящих в металле, выравнивания температуры по всему объему детали. Продол-жительность выдержки зависит от химического состава стали и для нелегированных сплавов оп-ределяется из расчета 60 с. на один миллиметр сечения. Скорость охлаждения зависит, главным образом, от химического состава стали, а также от твердости, которую необходимо получить.

Самыми распространенными видами термообработки сталей являются закалка и отпуск. Производятся с целью упрочнения изделий.

Виды операций термической обработки: отжиг, нормализация, закалка, отпуск.

Рис.2. Диапазон оптимальных температур нагрева при различных видах термической обработки

Рис. 3. Выбор оптимальной температуры закалки стали (а) и отпуска (б)

Закалка сталей

Закалкой называется фиксация при комнатной температуре высокотемпературного состояния сплава. Основная цель закалки – получение высокой твердости, прочности и износостойкости. Для достижения этой цели стали нагревают до температур на 30 – 50ОС выше линии GSK (рис..2), выдерживают определенное время при этой температуре и затем быстро охлаждают. Процессы, происходящие в сплаве на различных стадиях закалки, можно рассмот-реть на примере эвтектоидной стали. В исходном отожженном состоянии эта сталь имеет структуру перлита (эвтектоидная смесь феррита и цементита). При достижении темпера-туры А1 (727 0С) произойдет полиморфное превращение, т.е. перестройка кристалличе-ской решетки феррита (ОЦК) в решетку аустенита (ГЦК), вследствие чего растворимость углерода резко возрастает. В процессе выдержки весь цементит растворится в аустените и концентрация углерода в нем достигнет содержания углерода в стали, т.е. 0,8 %.

Следующий этап – охлаждение стали из аустенитной области до комнатной температуры – является определяющим при закалке. При охлаждении стали ниже температуры А1 про-исходит обратное полиморфное превращение, т.е. решетка аустенита (ГЦК) перестраива-ется в решетку феррита (ОЦК) и при этом растворимость углерода уменьшается в 40 раз (с 0,8 до 0,02). Если охлаждение происходит медленно, то “лишний” углерод успевает выйти из решетки феррита и образовать цементит. В результате формируется структура феррито-цементитной смеси. Если же охлаждение производится быстро, то после поли-морфного превращения углерод остается вследствие подавления диффузионных процес-сов в решетке ОЦК. Образуется пересыщенный твердый раствор углерода в - железе, который называется мартенситом.

Практической целью закалки является получение максимальной прочности и твердо-сти стали. Достигается эта цель при следующих режимах: нагрев стали на 30 – 50ОС выше линии GSK, выдержка при этой температуре и охлаждение со скоростью  Vкр.

По температуре нагрева различают полную и неполную закалку. Полная закалка осуществляется из аустенитной области. После охлаждения с критической скоростью за-калки у всех углеродистых сталей образуется структура мартенсита. Полной закалке под-вергают изделия из доэвтектоидных сталей, при этом исключается образование мягких ферритных включений. Неполная закалка – закалка из промежуточных, двухфазных областей (А + Ф), (А+ЦII). В результате охлаждения с критической скоростью в доэвтектоидных сталях об-разуется структура Ф + М, а в заэвтектоидных – М + ЦII. Неполной закалке подвергают инструмент из заэвтектоидной стали, поскольку наличие включений вторичного цементи-та увеличивает твердость закаленного инструмента, т.к. цементит по твердости превосхо-дит мартенсит

Отпуск. К важнейшим механическим свойствам сталей наряду с твердостью относится и пластичность, которая после закалки очень мала. Структура резко- неравновесная, возникают большие закалочные напряжения. Чтобы снять закалочные напряжения и получить оптимальное сочетание свойств для различных групп деталей, обычно после закалки проводят отпуск стали. Отпуском стали является термообработка, состоящая из нагрева закаленной стали до температуры ниже линии PSK (критическая точка А1), выдержки при этой температуре и дальнейшего произвольного охлаждения. Этот процесс связан с изменением строения и свойств закаленной стали. При отпуске происходит распад мартенсита, переход к более устойчивому состоянию. При этом повышается пластичность, вязкость, снижается твердость и уменьшаются остаточные напряжения встали. Механизм протекающих превращений при отпуске сталей – диффузионный, он определяется температурой и продолжительностью нагрева.

Первое превращение, протекающее в интервале 80 – 200ОС, соответствует выделению из мартенсита тонких пластин – карбида Fe2С. Выделение углерода из решетки приводит к уменьшению степени ее тетрагональности. Полученный при этом мартенсит, имеющий степень тетрагональности, близкую к 1, называется отпущенным.

При нагреве закаленной стали выше 300ОС происходит полное выделение углерода из раствора и снятие внутренних напряжений. Сталь состоит из мелкодисперсной смеси феррита и цементита (троостит отпуска).

При нагреве до температуры выше 480ОС идет процесс коагуляции (укрупнения) карбидных частиц и максимальное снятие остаточных напряжений. Формируется структура сорбита отпуска.

В зависимости от температуры нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск. Низкий отпуск проводят в интервале температур 80 – 250ОС для инструментов-изделий, которым необходимы высокая твердость и износостойкость. Получаемая структура МОТП или МОТП + ЦII (мартенсит отпуска + цементит вторичный).

Средний отпуск (350 – 500ОС) применяется для рессор, пружин, штампов и другого ударного инструмента, т.е. для тех изделий, где требуется достаточная твердость и высокая упругость. Получаемая структура – ТОТП (троостит отпуска).

Высокий отпуск (500 – 650ОС) полностью устраняет внутренние напряжения. Достигается наилучший комплекс механических свойств: повышенная прочность, вязкость и пластичность. Применяется для изделий из конструкционных сталей, подверженных воздействию высоких напряжений. Структура – СОТП (сорбит отпуска).

Термообработку, заключающуюся в закалке на мартенсит и последующем высоком отпуске, называют улучшением.

Нормализация. Нормализацией называется нагрев сталей на 30 — 50°С выше линии доэвтектоидных, а эвтектоидной и заэвтектоидных - выше линии Am, выдержка при этой температуре и последующее охлаждение на воздухе. После нормализации изделия из доэвтектодной, заэвтектодной и эвтектодной сталей приобретают однородную структуру по сечению - пластинчатый сорбит. Сорбит представляет собой механическую смесь двух фаз феррита и цементита.

Нормализацию применяют для снижения внутренних напряжений, измельчения зерна после литья, для подготовки структуры к последующей операции термической обработки. Нагрев заэвтектоидной стали выше линии - Am при нормализации проводится с целью растворения цементитной сетки для улучшения обрабатываемости резанием и для подготовки структуры к закалке.

Отжиг сталей

Чтобы облегчить механическую или пластическую обработку стальной детали, умень-шают ее твердость путем отжига. Так называемый полный отжиг заключается в том, что деталь или заготовку нагревают до температуры 900° С, выдерживают при этой темпера-туре некоторое время, необходимое для прогрева ее по всему объему, а затем медленно (обычно вместе с печью) охлаждают до комнатной температуры.

Внутренние напряжения, возникшие в детали при механической обработке, снимают низкотемпературным отжигом, при котором деталь нагревают до температуры 500—600° С, а затем охлаждают вместе с печью. Для снятия внутренних напряжений и некото-рого уменьшения твердости стали применяют неполный отжиг — нагрев до 750—760° С и последующее медленное (также вместе с печью) охлаждение.

Разновидностью отжига стали является гомогенизация – создание однородной (гомо-генной) структуры в сплавах путем ликвидации микронеоднородностей структуры спла-ва, возникающих при неравновесной кристаллизации расплава. При гомогенизации спла-вы подвергаются т.н. диффузионному или гомонизирующему отжигу, что повышает пла-стичность и стабильность механических свойств сплава.

При гомогенизации сталь нагревается до температуры 1000 – 1100ОС выдерживается при этой температуре для полного равномерного прогрева всего сечения образца и мед-ленно охлаждается вместе с печью.

- развить качество личности: любопытство и любознательность через занимательный материал; трудолюбие и аккуратность через работу в тетради и работу с учебником, интернетом.

- мыслительные операции: сосредоточить внимание через занимательный материал; память через работу с понятиями; умение сравнивать через сопоставление объектов; умение обобщать через привлечение учащихся к формулировке выводов по уроку.

-Формирование ответственного отношения к порученному делу;

-Трудолюбие, уверенность в себе.

Тип урока: изучение нового материала.

Форма: групповая, индивидуальная.

Методы: беседа, демонстрация презентаций, работа с литературой, справочниками, интернетом.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ КРАСНОЯРСКОГО КРАЯ

КРАЕВОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«КРАСНОЯРСКИЙ КОЛЛЕДЖ ОТРАСЛЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Методическая разработка занятия

Дисциплина: Материаловедение

на заседании методической комиссии профессионального цикла

Протокол № __от ___________

Образовательная:

- Изучить виды химико-термической обработки стали

- Изучить режимы химико-термической обработки

Развивающая:

Воспитательная:

-Формирование ответственного отношения к порученному делу;

-Трудолюбие, уверенность в себе.

Тип урока: изучение нового материала.

Форма: групповая, индивидуальная.

Методы: беседа, демонстрация презентаций, работа с литературой, справочниками, интернетом.

1. Технология конструкционных материалов. Учебник для студентов машиностроительных специальностей в 4 ч. Под ред. Д.М. Соколова, С.А. Васина, Г.Г Дубенского. – Тула. Изд-во ТулГУ. – 2007.

2. Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов машиностроительных / А.М. Дальский, Т.М. Барсукова, Л.Н. Бухаркин и др.; Под общ.ред. А.М. Дальского. – 5-е изд., испр. – М. Машиностроение, 2007. - 511с.: ил.

3. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учебное пособие для студентов, обуч. по направлению машиностроение/ А.В. Шишкин и др.; под ред. В.С. Чередниченко. – 3-е изд., стер. – М.: ОМЕГА-Л, 2007. – 751с.: ил. (Высшее техническое образование).

4. Лахтин, Ю.М., Леонтьева, В.Н. Материаловедение. Учебник для ВУЗов технич. спец. – 3-е изд. – М. Машиностроение, 1990. – 528с.

Материально-техническое оснащение:

Межпредметные связи:Технология машиностроения, процессы формообразования и инструмент, технологические процессы изготовление деталей машин.

Изучение нового материала

Вопросы для закрепления материала

Тест для закрепления темы

Подведение итогов занятия

1. Взаимное приветствие
2. Отметка присутствующих

3. Записать тему занятия
4. Указать цель занятия

Изучение нового материала

Вопросы для закрепления материала

Тест для закрепления темы

1.Определение термической обработки стали и чугуна

- термической обработки стали и чугуна называют процессы теплового воздействия по определенным режима с целью изменения структуры и свойств сплава.

2.Назовите основные факторы термической обработки?

-температура, время, скорость нагрева и охлаждения.

3.Объясните понятие слова: Диффузия

-диффузия – этоперемещение адсорбированных атомов вглубь изделия

4.Назовите виды термической обработки металлов?

- собственно термическая обработка; химико-термическая обработка; термомеханическая обработка.

5. С какой целью проводится термическая обработка?

-для изменения механических свойств стали (прочности, твердости, пластичности, вязкости).

6.Назовите основные виды термической обработки стали.

-отжиг, закалка, отпуск.

7. Чем отличаются между собой отжиг, закалка и отпуск?

-температурой нагрева, временем выдержки и способом охлаждения (вместе с печью или на воздухе).

Тема: Химико-термическая обработка стали

Группа делится на четыре подгруппы. Каждая подгруппа подробно изучает один из видов химико-термической обработки: 1 группа – цементацию, 2 группа – азотирование, 3 группа – нитроцементацию, 4 группа – диффузионную металлизацию. Обучающиеся изучают виды химико-термической обработки стали по плану, записывая ответы в тетрадь, и составляют презентации.

План составления презентации

Ход процесса (среда, температура, время)

В ходе урока включаются слайды презентации. После просмотра презентации студенты заполняют таблицу (приложение 1).

- Вопрос: Чем термическая обработка стали отличается от химико-термической?

Химико-термической обработкой называется процесспредставляющий собой сочетание термического и химического воздействия.

Химико-термическая обработка предназначена для повышения твёрдости, износостойкости в поверхностных слоях при сохранении вязкой сердцевины.

Химико-термическая обработка основана на диффузии, т.е. проникновении в сталь атомов различных элементов.

Существует несколько видов химико-термической обработки сталей.

Насыщение поверхностного слоя детали углеродом называют цементацией, азотом — азотированием, одновременно углеродом и азотом — нитроцементацией, металлом — диффузионной металлизацией.

Толщина диффузионного слоя зависит от:температуры нагрева, продолжительности выдержки при насыщении, концентрации диффундирующего элемента на поверхности. После процесса диффузии детали могут быть сразу готовы к использованию или должны подвергаться дополнительной

Цементация (презентация)

Цементация - процесс химико-термической обработки, представляющий собой диффузионное насыщение поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в соответствующей среде (древесный уголь, природные газы и др.).

Цементацию проводят в твердых и газообразных и жидких углеродсодержащих средах.

Цементация в твердой среде (карбюризаторе) состоит в следующем. Карбюризатором служат мелкие куски древесного угля, покрытые углекислыми солями бария и натрия, которые ускоряют процесс цементации. Детали помещают в специальный стальной ящик, засыпают со всех сторон карбюризатором и ящик накрывают крышкой. Расстояние между деталями и стенками ящика должно быть не менее 10. 15 мм. Чтобы не было доступа воздуха, разъем ящика обмазывают глиной. Затем ящик, помещают в термическую печь и нагревают до

Выдержка 7. 10 ч.

Толщина слоя0,7. 1,5 мм.

При этой температура древесный уголь разлагается и атомы углерода насыщают поверхности деталей. Ящик после цементации охлаждают на воздухе до температуры 300. 400°С, извлекают из него детали, после чего про изводят термическую обработку деталей, как правило, закалку с последующим низким отпуском.

Печь для твердой цементации

Газовая цементация осуществляется нагреванием изделий в среде углеродсодержащих газов (природный газ или пропан-бутановая смесь). Газовая цементация— более эффективный процесс, чем цементация в твердом карбюризаторе, так как отпадает необходимость в ящиках, которые следует нагревать, процесс легче автоматизируется и более экономичен. Кроме того, можно непосредственно из печи, где производится цементация, выполнять термообработку деталей. Время на цементацию и термообработку сокращается более чем в два раза. Цементации подвергаются стальные детали, работающие на истирание и испытывающие ударные нагрузки: валики, зубчатые колеса, поршневые пальцы, кулачки, пальцы звеньев гусениц и др.

Выдержка 3-4 часа

Печь для газовой цементации

Жидкая цементация- она предназначена для мелких деталей(например болты, винты и т.д.)
Жидкая цементация проводиться путём погружения детали в печь с раствором бензина(керосина)+BaCl2=CnHm.
Т-840-860°С
Время выдержки6часов
Охлаждение-воздух

Печь для жидкой цементации

Азотирование (презентация)

Азотирование–процесс химико-термической обработки, представляющий собой диффузионное насыщение поверхностного слоя стали азотом.

Цель азотирования - получение поверхности деталей высокой твердости, износостойкости, высокой коррозионной стойкостью.

Азотированию подвергаются детали, изготовленные из среднеуглеродистых легированных сталей марок 35ХМЮА и 38ХМЮА (цилиндров двигателя, насосы, зубчатых колес, валов, гильз и детали штампов шейки коленчатых валов, многие детали станков).

Азотирование проводят по одноступенчатому режиму при нагреве детали до

Т= 500. 700°С в атмосфере аммиака

выдержка 90 часов

или по двухступенчатому режиму:

выдержкой 15-20 часов,

выдержка 20-25 часов.

Толщина слоя 0,3-0,6 мм.

Твердость, азотированного слоя сохраняется при нагревании до температуры 600. 650°С.

Цианирование и нитроцементация(презентация)

Поверхностное насыщение стали одновременно углеродом и азотом в расплавленной цианистой соли называется цианированием, а в газовой среде – нитроцементацией.

Цель цианирования(нитроцементации)- получение высокой твердости и износостойкости поверхности деталей с сохранением пластичной сердцевины.

Цианирование в зависимости от используемой среды цианирование проводят: в твердых средах; жидких средах; газовых средах.В зависимости от температуры нагрева цианирование подразделяется нанизкотемпературное и высокотемпературное.Цианирование в жидких средах производят с расплавленными солями в ваннах.

Газовое цианирование производится в специально герметически закрытых печах.

Высокотемпературное цианирование проводят при

Выдержка от 1,5 до 6 часов.

Толщина слоя от 0,5 до 2мм.

После высокотемпературного цианирования детали подвергают закалке и низкому отпуску.

Применяют в автомобильной и тракторной промышленности длямелких деталей из среднеуглеродистых сталей, работающих при небольших удельных нагрузках, а также для режущего инструмента из быстрорежущей стали.Для упрочнения валов, осей, зубчатых колёс и других деталей, работающих при значительных знакопеременных нагрузках.

Основным недостатком цианирования является ядовитость цианистых солей.

При нитроцементации изделия нагревают при

Т=840—860°С в среде природного газа и аммиака.

Глубина слоя зависит от температуры и продолжительности выдержки. Посленитроцементации следует закалка, затем проводят отпуск при 160 – 180 ˚С.Нитроцементации подвергают детали сложной конфигурации, всевозможные шестерни склонные к короблению, шестерни привода масляного насоса в автомобилестроении, пальцы задних рессор, валики и т.д.

Диффузионная металлизация (презентация)

Диффузионная металлизация — насыщение поверхностного слоя деталей металлами (легирующими элементами)

Цель диффузионной металлизации — повышение жаростойкости, коррозионной стойкости, износостойкости и твердости. Его осуществляют путём нагрева и выдержки стальных изделий в контакте с одним из перечисленных элементов, которые могут быть в твёрдом, жидком и газообразном состоянии.

Процессы осуществляются при температуре 900. 1150°С

Более эффективно диффузионная металлизация проходит при использовании вместо порошкообразных смесей железа с легирующими элементами соответствующих хлористых соединений легирующих металлов (А1С1з, СгCl₂, SiCl₄ и т.д.), которые при высоких температурах диссоциируют, и поверхность изделий насыщается легирующими металлами. Продолжительность металлизации составляет 6. 12 ч.

В зависимости от насыщающего элемента процесс диффузионной металлизации имеет определенное название, так, насыщение хромом — хромирование, алюминием — алитирование, кремнием - силицирование, бором — борирование и т. д..

Алитирование

Алитирование - это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали алюминием.

Алитирование проводят в средах:твердых и жидких.

Цель: для повышения жаростойкости, окалиностойкости и коррозионной стойкости в атмосфере и морской воде.

Алитирование в твердой среде при

Время выдержки от 3-12часов

Толщина слоя 0,3 – 0,5 мм

Алитирование в твердой среде при

Время выдержки от 45 – 90 минут

Толщина слоя 0,20 – 0,35 мм

Алитированию подвергают трубы, инструмент для литья цветных сплавов, чехлы термопар, детали газогенераторных машин и т.д

Хромирование

Хромирование - это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали хромом.

Цель: получение высокой твердости, износостойкости, жаростойкости и коррозионной стойкости поверхности стальных изделий.

Хромирование проходит в твердой, жидкой и газовой средах.Жидкостное хромирование проводят путем нагрева детали в ванне:

Т = 900 -1100 С 0

Время выдержки от 5-20часов

Глубина слоя 0,1 – 0,3 мм.Хромирование применяют для пароводяной арматуры, клапанов, вентилей.

Силицирование

Силицирование–процесс химико-термической обработки, заключающийся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали кремнием.

Цель- получение коррозионной стойкости и жаростойкости поверхности стальных деталей.

Силицирование проводят в газовых средах при

выдержка 2-5 часов,

глубина слоя 0,6- 1,4 мм.

Борирование

Борирование- это процесс химико-термической обработки заключающийся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали бором.

Цель: повышение износостойкости (в условиях сухого трения, скольжения со смазкой и без смазки, абразивного изнашивания), повышение коррозийной стойкости железоуглеродистых сплавов во многих агрессивных средах и жаростойкости при температурах ниже 850 С 0

Борированию подвергают детали, применяемые в оборудовании нефтяной промышленности: втулки нефтяных насосов. Недостаток – слой обладает хрупкостью.Газовоеборирование проводят в специальных установках за счет разложения газообразных соединений бора. Газовое борирование проводят при

Время выдержки от 2 до 6 ч.

Толщина слоя от 0,5 -1мм.

Автоматическая линия служит для термической и химико-термической обработки

1-В чём отличие химико-термической обработки от термической?

2-Какие химико-физические свойства обеспечиваются при химико-термической обработке?

3-Виды химико-термической обработки?

4-Что называется твёрдостью, износостойкостью, прочностью, вязкостью, пластичностью, упругостью?

5-Чем обусловлена высокая твёрдость цементационного слоя?

6-Напишите марки углеродистой стали для цементации?

7-Что называется карбюризатором?

Обучающимся предлагается тест, который состоит из 10 вопросов

Работа со справочной литературой

Для детали, изготовленной из стали 18ХГТ, выбрать режим химико-термической обработки.

2 МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ЗАВОД Сортовой прокат МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ЗАВОД Изготовление заготовок деталей машин обработкой давлением (горячей штамповкой и др.) Заготовка детали Предварительная термическая обработка заготовок Механическая обработка резанием на металлорежущих станках Детали машин Упрочняющая термическая обработка деталей Доводочные операции обработки (при необходимости) Сборка машины Машина (изделие) Рис. 8. Типовая укрупненная схема обработки и изготовления объемных деталей машин на машиностроительном заводе При содержании углерода в конструкционных углеродистых и низколегированных сталях менее 0,5 % проводят обычно для заготовок нормализационный отжиг, а для сталей, имеющих более 0,5 % углерода полный отжиг. Типовая окончательная термическая обработка деталей машин и инструментов состоит из двух операций: 1 - закалки с получением на этапе охлаждения с большой скоростью (для углеродистых сталей в воде и других средах) из аустенита структуры мартенсита (АМ); 2 - отпуска закаленной с нагревом до температуры не выше температуры фазового превращения Ас 1. Применение термической обработки значительно изменяет механические свойства. Схемы основных видов термической обработки для конструкционных доэвтектоидных сталей представлены на рис. 9. Данные о механических свойствах конструкционных среднеуглеродис-тых (улучшаемых) сталей различного химического состава после закалки и высокого отпуска приведены в табл. 9.

3 Рис. 9. Схемы термической обработки конструкционных сталей Таблица 9. Механические свойства некоторых типовых конструкционных среднеуглеродистых сталей после закалки и высокого отпуска Марка Опто вая цена х) Критический диаметр, Для деталей с поперечным раз- Механические свой- 0,2, В, МПа МПа 45 1, Х 1, ХН 1, ХН2 2, ХНЗ 2, Примечания: х) Относительные единицы: за 1.0 принята оптовая цена углеродистой качественной. хх) Диаметр образца, закаливающегося насквозь с получением в центре микроструктуры из 95 % мартенсита и 5 % троостита. ххх) Стали могут быть использованы для изготовления деталей с еще большим поперечным размером. Следует иметь в виду, что в этом случае изделия получают пониженные по сравнению с табличными значениями механических свойств в связи с недостаточной прокаливаемостью по сечению деталей большого поперечного диаметра. 2. МАТЕРИАЛЬНО ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕС- ПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ В работе используются лабораторные электрические печи, автоматические потенциометры для регулирования температуры нагрева в печи, бачки с водой и маслом для охлаждения, заточный станок (точило) для зачистки образцов от заусенцев и окалины, твердомеры, щипцы для загрузки образцов в печь и выгрузки, образцы сталей разных марок, линейка для измерения размеров образцов или штангенциркуль. Работа выполняется в лаборатории термической обработки. Для нагрева образцов применяются электрические лабораторные камерные или муфельные печи. Примером камерной печи является печь СНОЛ I/II-М1 Х) мощностью 3 квт. Рабочая камера, в которой проводится нагрев, выполнена из жаростойкой керамики. Нагревательные элементы в виде спиралей расположены

4 в углублениях по боковым стенкам, на поду и в своде печи. Для предохранения спиралей от повреждений и расположения нагреваемых образцов имеется на поду печи плоская керамическая плитка. С целью измерения температуры в рабочую зону печи вставляется термопара. Рабочая камера печи спереди закрывается крышкой. Максимальная температура в рабочей зоне составляет 1100 С. Печь снабжена милливольтметром типа МП Для точного измерения и автоматического поддержания заданной температуры применен особый прибор - автоматический электромеханический потенциометр типа КСП4, к которому с помощью электрических проводов присоединена термопара. Прибор может автоматически записывать данные о температуре в печи на ленточную бумажную диаграмму в прямоугольных координатах. Рис. 10. Схема установки для проведения термической обработки: 1 печь; 2 шкаф с потенциометрами; 3 бачки с охлаждающими жидкостями. Рядом с печами располагаются на подставке бачки с водой и минеральным маслом. Бачки имеют "корзинки" с отверстиями, посредством которых образцы после завершения охлаждения вынимаются из охлаждающей среды. Схема установки для термической обработки показана на рис. 10.

5 Оценка механических свойств образцов проводится в данной работе по численному значению твердости. Твердость - свойство материала оказывать сопротивление пластической деформации при вдавливании под постоянной нагрузкой в плоскую поверхность материала шарика из закаленной твердой, алмазного конуса или пирамиды. Имеются различные методы измерения твердости: метод Бриннеля, Роквелла, Виккерса и др. 3. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕ- НИЯ И ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ. Практическая часть работы выполняется в следующем порядке: 1. Группе студентов до 3-4 человек преподаватель указывает номер выполняемого задания. Текст задания каждый студент записывает себе в отчет. 2. В соответствии с заданием преподаватель назначает марку, определяется ее структурный класс. 3. Определяется по заданию вид термической обработки: закалка, отжиг, закалка с отпуском. 4. Далее переходят к назначению режимов термической обработки: температуры нагрева, времени нагрева и выдержки, охлаждающей среды. Некоторые показатели режима в зависимости от конкретного задания указываются преподавателем. Температура нагрева подсчитывается по формулам, приведенным в табл. 10. Численные значения температур фазовых превращений Aс 1 и Aс 3 принимаются по данным табл. 11. При этом вычисляют два численных значения температуры: минимальное t min и максимальное t max. Эти значения температуры характеризуют оптимальный интервал температуры нагрева. Фактическая величина температуры в печи должна находиться в этом интервале (не ниже t min ). Пример. Закалка У12 (Aс 1 = С): t min = + 70 = 800 С; t max = = 830 С.

6 Вид термической обработки Отжиг Нормализационный отжиг Закалка Таблица 10. Температуры нагрева и охлаждающие среды при термической обработке Температура Типовая нагрева, 0 С охлаждающая среда Стали доэвтектоидные (менее 0,8 %С) t отж = t Ас3 + +(30 50 С) t н.о. = t Ас3 + +(50 80 С) t зак = t Ас3 + +(30 50 С) Стали эвтектоидные и заэвтектоидные (от 0,7 0, 8 до 2,14%) t отж = t Ас1 + +(30 70 С) t н.о. = t Асm + +(30 50 С) t зак = t Ас1 + +( С) С печью На спокойном воздухе Углеродистые в воде, легированные в масле Отпуск закаленной Ниже Ас 1 (в зависимости от заданных свойств при С) Для большинства сталей на воздухе Таблица 11. Температуры критических точек Ас 1, Ас 3, Асm некоторых сталей Марка Х 45Г2 35ХГСА 60С2 Ас 1, 0 С Ас 3, 0 С Марка Ас 1, 0 С Асm, 0 С У7 У8 У10 У12 ШХ15 9ХС ХВГ Х12М Время нагрева образцов до заданной температуры вычисляют по следующей эмпирической зависимости: н = 1,5 Д, мин, где Д - диаметр или толщина образца мм. Время выдержки при заданной температуре в = 0,2 н, мин. Общее время от загрузки образцов в рабочую камеру печи до их выгрузки из печи составляет сумму времени нагрева и выдержки: 810 -

7 = н + в Пример. Диаметр образца равен 12 мм: н = 1,5 12 = 18 мин; в = 0,2 18 = 3,6 мин; = 18,0 + 3,6 = 21,6 мин. Охлаждающая среда при термической обработке назначается по табл.10. Студенты получают у лаборанта образцы заданной марки и зачищают их от заусенцев на заточном станке (точиле). Далее лаборант измеряет твердость образцов до термообработки методом Роквелла по шкале НRВ. Полученное число твердости переводится по таблице в шкалу НВ. Величину твердости записывают в таблицу. После этого образцы с помощью щипцов загружаются в печь под руководством лаборанта. Предварительно печь отключается от электрической сети. После загрузки образцов в печь дверца закрывается, и печь включается в электрическую сеть. По истечений времени нагрева и выдержки печь отключается от электрической сети, образцы с помощью щипцов быстро выгружаются из печи и помещаются в заданную охлаждающую среду. После завершения охлаждения образцы зачищаются на заточном станке (точиле) и лаборант измеряет твердость в зависимости от вида термической обработки по шкале НRС или HRB. Полученные числа твердости переводятся по таблице в шкалу НВ. Величины твердости записывают в таблицу. Форма таблицы для записи результатов термической обработки по всему заданию дана ниже: Марка. Вид термообработки (т.о.) Влияние термической обработки на твердость Режим Твердость термообработки t, 0 С, Среда до т.о. после т.о. ми охла- НRB НВ НRB НRС Н н жде- В ния В работе несколько человек студентов выполняют одно из практических заданий по термической обработке сталей с заданным содержанием углерода. На небольших образцах сталей в лабораторных условиях имитируется реальная термическая обработка заготовок, деталей машин и инструментов. Практические задания даны ниже. ЗАДАНИЕ 1. Изучение влияния охлаждающей среды (скорости охлаждения) на твердость. Четыре образца углеродистой заданной марки нагреть, выдержать и охладить: первый образец в воде (полная закалка), второй - в минеральном масле (частичная закалка), третий - на воздухе (нормализационный отжиг), четвертый - в печи (полный отжиг). Измерить твердость образцов до и после термической обработки. Таблица 12. Скорость охлаждения в различных средах Охлаждающая среда вода масло воздух с печью

8 Примерная скорость охлаждения, градусов /с ,05 По полученным данным строится график зависимости твердости от скорости охлаждения. Сделать выводы: после каких видов термической обработки достигается максимальная и минимальная твердость ; - о влиянии скорости охлаждения на твердость. ЗАДАНИЕ 2. Изучение влияния закалки на твердость с различным содержанием углерода. Для нескольких образцов углеродистых сталей разных марок проводится закалка. Измеряется твердость образцов до и после закалки. По полученным данным строятся два графика зависимости твердости от содержания углерода (до закалки для сталей марок У7, У8, У10 и после закалки для всех изученных сталей). Сделать выводы: -о влиянии закалки одной марки на твердость и о влиянии содержания углерода на твердость закаленной. ЗАДАНИЕ 3. Изучение влияния температуры отпуска на твердость закаленной. Три образца одной марки подвергнуть закалке. Измерить твердость каждого образца до и после закалки. Провести отпуск закаленных образцов при температуре: первого 200 С, второго С, третьего С. Время нагрева и выдержки 30 мин. Измерить твердость после отпуска. По полученным данным построить график зависимости твердости от температуры отпуска. Сделать выводы: -о влиянии температуры отпуска закаленной на твердость; -после отпуска при какой температуре достигается наиболее высокая и наименьшая твердость исследуемой. По полученным данным на доске проводят построение графиков зависимостей твердости НВ от изменяемых факторов: содержания углерода в ; скорости охлаждения при термической обработке; температуры отпуска закаленных образцов. Для этого каждый студент отмечает в соответствующих координатах экспериментальные точки. Далее студенты по заданиям формулируют выводы, которые записываются в отчет. Выводы в отчете каждого студента приводятся по всем трем заданиям. 4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА Итоги проведенной работы оформляют в отчете, который должен содержать следующие разделы: 1. Цель работы.

9 2. Оборудование, приборы и материалы, использованные при выполнении работы. 3. Теоретические положения: понятие термической обработки, типовые виды предварительной и окончательной термической обработки конструкционных сталей, графики термической обработки. 4. Методика проведения работы и полученные результаты. Задание по термической обработке, марка, вид термической обработки, выбор режима термической обработки, таблица результатов по всему заданию. Три графика зависимости твердости от изучаемых факторов по всем заданиям. 5. Выводы по работе. В конце занятия преподаватель путем устного опроса проверяет усвоение знаний по вопросам для самопроверки. Оформленные отчеты проверяются и подписываются преподавателем. 5. ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К РА- БОТЕ И САМОПРОВЕРКИ 1. Понятие термической обработки. 2. Какие основные виды термической обработки применяются в машиностроении? 3. Какое влияние оказывают полный отжиг и полная закалка с отпуском на механические свойства конструкционной? 4. Какие печи применяются для термической обработки в лаборатории материаловедения? 5. Для каких целей применяются потенциометры? 6. Понятие твердости материалов. 7. Как определяется температура нагрева при закалке и отжиге? 8. Какая охлаждающая среда применяется в случае нормализационного отжига?

Читайте также: