Общая теория сплавов. Строение, кристаллизация и свойства сплавов. Диаграмма состояния. 7 страница

Общая теория сплавов. Строение, кристаллизация и характеристики сплавов. Диаграмма состояния. 7 страничка


Стали, склонные к отпускной хрупкости II рода, нельзя использовать для работы с нагревом до 650oС без следующего резвого остывания.

Лекция 15

Химико-термическая обработка стали: цементация, азотирование, нитроцементация и диффузионная металлизация

1. Химико-термическая обработка стали

2. Предназначение и разработка видов химико-термической обработки: цементации, азотирования нитроцементации и диффузионной металлизации

3. Цементация

4. Цементация в жестком карбюризаторе.

5. Газовая цементация.

6. Структура цементованного слоя

7. Термообработка после цементации

8. Азотирование

9. Цианирование и нитроцементация

10. Диффузионная металлизвция

Химико-термическая обработка стали

Химико-термическая обработка (ХТО) – процесс конфигурации хим состава, микроструктуры и параметров поверхностного слоя детали.

Изменение хим состава поверхностных слоев достигается в итоге их взаимодействия с окружающей средой (жесткой, водянистой, газообразной, плазменной), в какой осуществляется нагрев.



В итоге конфигурации хим состава поверхностного слоя меняются его фазовый состав и микроструктура,

Основными параметрами химико-термической обработки являются температура нагрева и длительность выдержки.

В базе хоть какой разновидности химико-термической обработки лежат процессы диссоциации, адсорбции, диффузии.

Диссоциация – получение насыщающего элемента в активированном атомарном состоянии в итоге хим реакций, также испарения.

К примеру,

Адсорбция – захват поверхностью детали атомов насыщающего элемента.

Адсорбция – всегда экзотермический процесс, приводящий к уменьшению свободной энергии.

Диффузия – перемещение адсорбированных атомов вглубь изделия.

Для воплощения процессов адсорбции и диффузии нужно, чтоб насыщающий элемент вел взаимодействие с главным металлом, образуя твердые смеси либо хим соединения.

Химико-термическая обработка является главным методом поверхностного упрочнения деталей.

Основными разновидностями химико-термической обработки являются:

· цементация (насыщение поверхностного слоя углеродом);

· азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом);

· нитроцементация либо цианирование (насыщение поверхностного слоя сразу углеродом и азотом);

· диффузионная металлизация (насыщение поверхностного слоя разными металлами).

Предназначение и разработка видов химико-термической обработки: цементации, азотирования нитроцементации и диффузионной металлизации

Цементация

Цементация – химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя атомами углерода при нагреве до температуры 900…950 oС.

Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода (до 0,25 %).

Нагрев изделий производят в среде, просто отдающей углерод. Подобрав режимы обработки, поверхностный слой насыщают углеродом до требуемой глубины.

Глубина цементации (h) – расстояние от поверхности изделия до середины зоны, где в структуре имеются однообразные объемы феррита и перлита ( h. = 1…2 мм).

Степень цементации – среднее содержание углерода в поверхностном слое (обычно, менее 1,2 %).

Более высочайшее содержание углерода приводит к образованию значимых количеств цементита вторичного, сообщающего слою завышенную хрупкость.

На практике используют цементацию в жестком и газовом карбюризаторе (науглероживающей среде).

Участки деталей, которые не подвергаются цементации, за ранее покрываются медью (электролитическим методом) либо глиняной консистенцией.

Цементация в жестком карбюризаторе.

Практически готовые изделия, с припуском под шлифование, укладывают в железные ящики и пересыпают жестким карбюризатором. Употребляется древесный уголь с добавками углекислых солей ВаСО3, Na2CO3 в количестве 10…40 %. Закрытые ящики укладывают в печь и выдерживают при температуре 930…950 oС.

За счет кислорода воздуха происходит неполное сгорание угля с образованием окиси углерода (СО), которая разлагается с образованием атомарного углерода по реакции:


Загрузка...

Образующиеся атомы углерода адсорбируются поверхностью изделий и диффундируют вглубь металла.

Недочетами данного метода являются:

· значимые издержки времени (для цементации на глубину 0,1 мм затрачивается 1 час);

· низкая производительность процесса;

· громоздкое оборудование;

· сложность автоматизации процесса.

Метод применяется в мелкосерийном производстве.

Газовая цементация.

Процесс осуществляется в печах с герметической камерой, заполненной газовым карбюризатором.

Атмосфера углеродосодержащих газов включает азот, водород, водяные пары, которые образуют газ-носитель, также окись углерода, метан и другие углеводороды, которые являются активными газами.

Глубина цементации определяется температурой нагрева и временем выдержки.

Достоинства метода:

· возможность получения данной концентрации углерода в слое (можно регулировать содержание углерода, изменяя соотношение составляющих атмосферу газов);

· сокращение продолжительности процесса за счет упрощения следующей термообработки;

· возможность полной механизации и автоматизации процесса.

Метод применяется в серийном и массовом производстве.

Структура цементованного слоя

Структура цементованного слоя представлена на рис. 15.1.

Рис. 15.1. Структура цементованного слоя

На поверхности изделия появляется слой заэвтектоидной стали, состоящий из перлита и цементита. По мере удаления от поверхности, содержание углерода понижается и последующая зона состоит только из перлита. Потом возникают зерна феррита, их количество, по мере удаления от поверхности возрастает. И, в конце концов, структура становится отвечающей начальному составу.

Термообработка после цементации

В итоге цементации достигается только прибыльное рассредотачивание углерода по сечению. Совсем сформировывает характеристики цементованной детали следующая термическая обработка. Все изделия подвергают закалке с низким отпуском. После закалки цементованное изделие приобретает высшую твердость и износостойкость, увеличивается предел контактной выносливости и предел выносливости при извиве, при сохранении вязкой сердцевины.

Комплекс термообработки находится в зависимости от материала и предназначения изделия.

Графики разных комплексов термообработки представлены на рис. 15.2.

Рис. 15.2. Режимы термообработки цементованных изделий

Если сталь наследственно тонкодисперсная либо изделия неответственного предназначения, то проводят однократную закалку с температуры 820…850oС (рис. 15.2 б). При всем этом обеспечивается получение высокоуглеродистого мартенсита в цементованном слое, также частичная перекристаллизация и измельчение зерна сердцевины.

При газовой цементации изделия по окончании процесса подстуживают до этих температур, а потом проводят закалку (не требуется повторный нагрев под закалку) (рис. 15.2 а).

Для ублажения особо больших требований, предъявляемых к механическим свойствам цементованных деталей, используют двойную закалку (рис. 15.2 в).

1-ая закалка (либо нормализация) проводится с температуры 880…900oС для исправления структуры сердцевины.

2-ая закалка проводится с температуры 760…780oС для получения мелкоигольчатого мартенсита в поверхностном слое.

Оканчивающей операцией термообработки всегда является маленький отпуск, проводимый при температуре 150…180oС. В итоге отпуска в поверхностном слое получают структуру мартенсита отпуска, отчасти снимаются напряжения.

Цементации подвергают зубчатые колеса, поршневые кольца, черви, оси, ролики.

Азотирование

Азотирование – химико-термическая обработка, при которой поверхностные слои насыщаются азотом.

В первый раз азотирование выполнил Чижевский И.П., промышленное применение – в двадцатые годы.

При азотировании растут не только лишь твердость и износостойкость, но также увеличивается коррозионная стойкость.

При азотировании изделия загружают в герметичные печи, куда поступает аммиак NH3 c определенной скоростью. При нагреве аммиак диссоциирует по реакции: 2NH3>2N+3H2. Атомарный азот поглощается поверхностью и диффундирует вглубь изделия.

Фазы, получающиеся в азотированном слое углеродистых сталей, не обеспечивают высочайшей твердость, и образующийся слой хрупкий.

Для азотирования употребляют стали, содержащие алюминий, молибден, хром, титан. Нитриды этих частей дисперсны и владеют высочайшей твердостью и тепловой устойчивостью.

Типовые азотируемые стали: 38ХМЮА, 35ХМЮА, 30ХТ2Н3Ю.

Глубина и поверхностная твердость азотированного слоя зависят от ряда причин, из которых главные: температура азотирования, длительность азотирования и состав азотируемой стали.

Зависимо от критерий работы деталей различают азотирование:

· для увеличения поверхностной твердости и износостойкости;

· для улучшения коррозионной стойкости (противокоррозионное азотирование).

В первом случае процесс проводят при температуре 500…560oС в течение 24…90 часов, потому что скорость азотирования составляет 0,01 мм/ч. Содержание азота в поверхностном слое составляет 10…12 %, толщина слоя (h) – 0,3…0,6 мм. На поверхности получают твердость около 1000 HV. Остывание проводят совместно с печью в потоке аммиака.

Существенное сокращение времени азотирования достигается при ионном азотировании, когда меж катодом (деталью) и анодом (контейнерной установкой) возбуждается тлеющий разряд. Происходит ионизация азотосодержащего газа, и ионы бомбардируя поверхность катода, нагревают его до температуры насыщения. Катодное распыление осуществляется в течение 5…60 мин при напряжении 1100…1400 В и давлении 0,1…0,2 мм рт. ст., рабочее напряжение 400…1100 В, длительность процесса до 24 часов.

Противокоррозионное азотирование проводят и для легированных, и для углеродистых сталей. Температура проведения азотирования – 650…700oС, длительность процесса – 10 часов. На поверхности появляется слой — фазы шириной 0,01…0,03 мм, который обладает высочайшей стойкостью против коррозии. ( –фаза – жесткий раствор на базе нитрида железа Fe3N, имеющий гексагональную решетку).

Азотирование проводят на готовых изделиях, прошедших окончательную механическую и термообработку (закалка с высочайшим отпуском).

После азотирования в сердцевине изделия сохраняется структура сорбита, которая обеспечивает завышенную крепкость и вязкость.

Цианирование и нитроцементация

Цианирование – химико-термическая обработка, при которой поверхностьнасыщается сразу углеродом и азотом.

Осуществляется в ваннах с расплавленными цианистыми солями, к примеру NaCN с добавками солей NаCl, BaCl и др. При окислении цианистого натрия появляется атомарный азот и окись углерода:

Глубина слоя и концентрация в нем углерода и азота зависят от температуры процесса и его длительности.

Цианированный слой обладает высочайшей твердостью 58…62 HRC и отлично сопротивляется износу. Увеличиваются усталостная крепкость и коррозионная стойкость.

Длительности процесса 0,5…2 часа.

Высокотемпературное цианирование – проводится при температуре 800…950oС, сопровождается преимущественным насыщением стали углеродом до 0,6…1,2 %, (жидкостная цементация). Содержание азота в цианированном слое 0,2…0,6 %, толщина слоя 0,15…2 мм. После цианирования изделия подвергаются закалке и низкому отпуску. Окончательная структура цианированного слоя состоит из узкого слоя карбонитридов Fe2(C, N), а потом азотистый мартенсит.

По сопоставлению с цементацией высокотемпературное цианирование происходит с большей скоростью, приводит к наименьшей деформации деталей, обеспечивает огромную твердость и сопротивление износу.

Низкотемпературное цианирование – проводится при температуре 540…600oС, сопровождается преимущественным насыщением стали азотом

Проводится для инструментов из быстрорежущих, высокохромистых сталей, Является конечной обработкой.

Главным недочетом цианирования является ядовитость цианистых солей.

Нитроцементация – газовое цианирование, осуществляется в газовых консистенциях из цементующего газа и диссоциированного аммиака.

Состав газа температура процесса определяют соотношение углерода и азота в цианированном слое. Глубина слоя находится в зависимости от температуры и длительности выдержки.

Высокотемпературная нитроцементация проводится при температуре 830…950oС, для машиностроительных деталей из углеродистых и малолегированных сталей при завышенном содержании аммиака. Оканчивающей термообработкой является закалка с низким отпуском. Твердость добивается 56…62 HRC.

На Вуале 95 % деталей подвергаются нитроцементации.

Низкотемпературной нитроцементации подвергают инструмент из быстрорежущей стали после термообработки (закалки и отпуска). Процесс проводят при температуре 530…570oС, в течение 1,5…3 часов. Появляется поверхностный слой шириной 0,02…0,004 мм с твердостью 900…1200 HV.

Нитроцементация характеризуется безопасностью в работе, низкой ценой.

Диффузионная металлизвция

Диффузионная металлизвция – химико-термическая обработка, при которой поверхность железных изделий насыщается разными элементами: алюминием, колченогом, кремнием, бором и др.

При насыщении колченогом процесс именуют хромированием, алюминием – алитированием, кремнием – силицированием, бором – борированием.

Диффузионную металлизацию можно проводить в жестких, водянистых и газообразных средах.

При жесткой диффузионной метализации металлизатором является ферросплав с добавлением хлористого аммония (NH4Cl). В итоге реакции металлизатора с HCl либо CL2 появляется соединение хлора с металлом (AlCl3, CrCl2, SiCl4), которые при контакте с поверхностью диссоциируют с образованием свободных атомов.

Водянистая диффузионная метализация проводится погружением детали в расплавленный металл (к примеру, алюминий).

Газовая диффузионная метализация проводится вгазовых средах, являющихся хлоридами разных металлов.

Диффузия металлов протекает очень медлительно, потому что образуются смеси замещения, потому при схожих температурах диффузионные слои в 10-ки и сотки раз тоньше, чем при цементации.

Диффузионная металлизация – процесс дорогостоящий, осуществляется при больших температурах (1000…1200oС) в течение долгого времени.

Одним из главных параметров металлизированных поверхностей является жаростойкость, потому жаростойкие детали для рабочих температур 1000…1200oС изготавливают из обычных углеродистых сталей с следующим алитированием, хромированием либо силицированием.

Только высочайшей твердостью (2000 HV) и высочайшим сопротивлением износу из-за образования боридов железа (FeB, FeB2) характеризуются борированные слои, но эти слои очень хрупкие.

Лекция 16

Способы упрочнения металла.

1. Термомеханическая обработка стали

2. Поверхностное упрочнение железных деталей

3. Закалка токами высочайшей частоты.

4. Газопламенная закалка.

5. Старение

6. Обработка стали холодом

7. Упрочнение способом пластической деформации

Термомеханическая обработка стали

Одним из технологических процессов упрочняющей обработки является термомеханическая обработка (ТМО).

Термомеханическая обработка относится к комбинированным методам конфигурации строения и параметров материалов.

При термомеханической обработке совмещаются пластическая деформация и термообработка (закалка за ранее деформированной стали в аустенитном состоянии).

Преимуществом термомеханической обработки будет то, что при существенном увеличении прочности свойства пластичности понижаются некординально, а ударная вязкость выше в 1,5…2 раза по сопоставлению с ударной вязкостью для той же стали после закалки с низким отпуском.

Зависимо от температуры, при которой проводят деформацию, различают высокотемпературную термомеханическую обработку (ВТМО) и низкотемпературную термомеханическую обработку (НТМО).

Суть высокотемпературной термомеханической обработки заключается в нагреве стали до температуры аустенитного состояния (выше А3). При этой температуре производят деформацию стали, что ведет к наклепу аустенита. Сталь с таким состоянием аустенита подвергают закалке (рис. 16.1 а).

Высокотемпературная термомеханическая обработка фактически избавляет развитие отпускной хрупкости в небезопасном интервале температур, ослабляет необратимую отпускную хрупкость и резко увеличивает ударную вязкость при комнатной температуре. Снижается температурный порог хладоломкости. Высокотемпературная термомеханическая обработка увеличивает сопротивление хрупкому разрушению, уменьшает чувствительность к трещинообразованию при термообработке.

Рис. 16.1. Схема режимов термомеханической обработки стали: а – высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО); б – низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО).

Высокотемпературную термомеханическую обработку отлично использовать для углеродистых, легированных, конструкционных, пружинных и инструментальных сталей.

Следующий отпуск при температуре 100…200oС проводится для сохранения больших значений прочности.

Низкотемпературная термомеханическая обработка (аусформинг).

Сталь нагревают до аустенитного состояния. Потом выдерживают при высочайшей температуре, создают остывание до температуры, выше температуры начала мартенситного перевоплощения (400…600oС), но ниже температуры рекристаллизации, и при этой температуре производят обработку давлением и закалку (рис. 16.1 б).

Низкотемпературная термомеханическая обработка, хотя и дает более высочайшее упрочнение, но не понижает склонности стали к отпускной хрупкости. Не считая того, она просит больших степеней деформации (75…95 %), потому требуется массивное оборудование.

Низкотемпературную термомеханическую обработку используют к среднеуглеродистым легированным сталям, закаливаемым на мартенсит, которые имеют вторичную стабильность аустенита.

Увеличение прочности при термомеханической обработке разъясняют тем, что в итоге деформации аустенита происходит дробление его зернышек (блоков). Размеры блоков уменьшаются в два – четыре раза по сопоставлению с обыкновенной закалкой. Также возрастает плотность дислокаций. При следующей закалке такового аустенита образуются более маленькие пластинки мартенсита, понижаются напряжения.

Механические характеристики после различных видов ТМО для машиностроительных сталей в среднем имеют последующие свойства (см. табл. 16.1):

Таблица 16.1. Механические характеристики сталей после ТМО

, МПа , МПа , % , %
НТМО 2400…2900 2000…2400 5…8 15…30
ВТМО 2100…2700 1900…2200 7…9 25… 40
ТО
(сталь 40 после обыкновенной закалки)

Термомеханическую обработку используют и для других сплавов.

Поверхностное упрочнение железных деталей

Конструкционная крепкость нередко находится в зависимости от состояния материала в поверхностных слоях детали. Одним из методов поверхностного упрочнения железных деталей является поверхностная закалка.

В итоге поверхностной закалки возрастает твердость поверхностных слоев изделия с одновременным увеличением сопротивления истиранию и предела выносливости.

Общим для всех видов поверхностной закалки является нагрев поверхностного слоя детали до температуры закалки с следующим резвым остыванием. Эти методы различаются способами нагрева деталей. Толщина закаленного слоя при поверхностной закалке определяется глубиной нагрева.

Наибольшее распространение имеют электротермическая закалка с нагревом изделий токами высочайшей частоты (ТВЧ) и газопламенная закалка с нагревом газово-кислородным либо кислородно-керосиновым пламенем.

Закалка токами высочайшей частоты.

Способ разработан русским ученым Вологдиным В.П.

Основан на том, что если в переменное магнитное поле, создаваемое проводником-индуктором, поместить железную деталь, то в ней будут индуцироваться вихревые токи, вызывающие нагрев металла. Чем больше частота тока, тем тоньше выходит закаленный слой.

Обычно употребляются машинные генераторы с частотой 50…15000 Гц и ламповые генераторы с частотой больше 106 Гц. Глубина закаленного слоя – до 2 мм.

Индукторы делаются из медных трубок, снутри которых циркулирует вода, по этому они не греются. Форма индуктора соответствует наружной форме изделия, при всем этом нужно всепостоянство зазора меж индуктором и поверхностью изделия.

Схема технологического процесса закалки ТВЧ представлена на рис. 16.2.

Рис. 16.2. Схема технологического процесса закалки ТВЧ

После нагрева в течение 3…5 с индуктора 2 деталь 1 стремительно перемещается в особое охлаждающее устройство – спрейер 3, через отверстия которого на подогретую поверхность разбрызгивается закалочная жидкость.

Высочайшая скорость нагрева сдвигает фазовые перевоплощения в область более больших температур. Температура закалки при нагреве токами высочайшей частоты должна быть выше, чем при обыкновенном нагреве.

При правильных режимах нагрева после остывания выходит структура мелкоигольчатого мартенсита. Твердость увеличивается на 2…4 HRC по сопоставлению с обыкновенной закалкой, растет износостойкость и предел выносливости.

Перед закалкой ТВЧ изделие подвергают нормализации, а после закалки низкому отпуску при температуре 150…200oС (самоотпуск).

Более целенаправлено использовать этот способ для изделий из сталей с содержанием углерода более 0,4 %.

Достоинства способа:

· большая экономичность, нет необходимости нагревать все изделие;

· более высочайшие механические характеристики;

· отсутствие обезуглероживания и окисления поверхности детали;

· понижение брака по короблению и образованию закалочных трещинок;

· возможность автоматизации процесса;

· внедрение закалки ТВЧ позволяет поменять легированные стали на более дешевенькие углеродистые;

· позволяет проводить закалку отдельных участков детали.

Основной недочет способа – высочайшая цена индукционных установок и индукторов.

Целенаправлено использовать в серийном и массовом производстве.

Газопламенная закалка.

Нагрев осуществляется ацетиленокислородным, газокислородным либо керосинокислородным пламенем с температурой 3000…3200oС.

Структура поверхностного слоя после закалки состоит из мартенсита, мартенсита и феррита. Толщина закаленного слоя 2…4 мм, твердость 50…56 HRC.

Способ применяется для закалки больших изделий, имеющих сложную поверхность (косозубые шестерни, черви), для закалки железных и металлических прокатных валков. Употребляется в массовом и личном производстве, также при ремонтных работах.

При нагреве больших изделий горелки и охлаждающие устройства передвигаются повдоль изделия, либо – напротив.

Недочеты способа:

· низкая производительность;

· сложность регулирования глубины закаленного слоя и температуры нагрева (возможность перегрева).

Старение

Отпуск применяется к сплавам, которые подвергнуты закалке с полиморфным перевоплощением.

К материалам, подвергнутым закалке без полиморфного перевоплощения, применяется старение.

Закалка без полиморфного перевоплощения – термообработка, фиксирующая при более низкой температуре состояние, характерное сплаву при более больших температурах (пересыщенный жесткий раствор).

Старение – термообработка, при которой основным процессом является распад пересыщенного твердого раствора.

В итоге старения происходит изменение параметров закаленных сплавов.

В отличие от отпуска, после старения растут крепкость и твердость, и миниатюризируется пластичность.

Старение сплавов связано с переменной растворимостью лишней фазы, а упрочнение при старении происходит в итоге дисперсионных выделений при распаде пересыщенного твердого раствора и возникающих при всем этом внутренних напряжений.

В стареющих сплавах выделения из жестких смесей встречаются в последующих главных формах:

· тонкопластинчатой (дискообразной);

· равноосной (сферической либо кубической);

· игловатой.

Форма выделений определяется конкурирующими факторами: поверхностной энергией и энергией упругой деформации, стремящимися к минимуму.

Поверхностная энергия мала для равноосных выделений. Энергия упругих искажений мала для выделений в виде тонких пластинок.

Основное предназначение старения – увеличение прочности и стабилизация параметров.

Различают старение естественное, искусственное и после пластической деформации.

Естественным старением именуется самопроизвольное увеличение прочности и уменьшение пластичности закаленного сплава, происходящее в процессе его выдержки при обычной температуре.

Нагрев сплава наращивает подвижность атомов, что ускоряет процесс.

Увеличение прочности в процессе выдержки при завышенных температурах именуется искусственным старением.

Предел прочности, предел текучести и твердость сплава с повышением длительности старения растут, добиваются максимума и потом понижаются (явление перестаривания)

При естественном старении перестаривания не происходит. С увеличением температуры стадия перестаривания достигается ранее.

Если закаленный сплав, имеющий структуру пересыщенного твердого раствора, подвергнуть пластической деформации, то также ускоряются процессы, протекающие при старении – это деформационное старение.

Старение обхватывает все процессы, происходящие в пересыщенном жестком растворе: процессы, подготавливающие выделение, и сами процессы выделения.

Для практики огромное значение имеет инкубационный период – время, в течение которого в закаленном сплаве совершаются предварительные процессы, когда сохраняется высочайшая пластичность. Это позволяет проводить прохладную деформацию после закалки.

Если при старении происходят только процессы выделения, то явление именуется дисперсионным твердением.

После старения увеличивается крепкость и понижается пластичность низкоуглеродистых сталей в итоге дисперсных выделений в феррите цементита третичного и нитридов.

Старение является главным методом упрочнения дюралевых и медных сплавов, также многих жаропрочных сплавов.




Возможно Вам будут интересны работы похожие на: Общая теория сплавов. Строение, кристаллизация и свойства сплавов. Диаграмма состояния. 7 страница:


Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Cпециально для Вас подготовлен образовательный документ: Общая теория сплавов. Строение, кристаллизация и свойства сплавов. Диаграмма состояния. 7 страница