ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОКАЛИВАЕМОСТИ СТАЛИ
Цель работы. Ознакомиться с методикой определения прокаливаемости. Выяснить влияние химического состава сталей и размеров деталей на прокаливаемость.
ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ
Прокаливаемостью называется способность стали получать при закалке структуру мартенсита или троостит-мартенсита, а следовательно, и высокую твердость на ту или иную глубину по сечению детали. Толщина закаленного поверхностного слоя зависит как от характера закалочной среды, так и от природы стали.
Необходимо помнить, что при охлаждении стали ниже эвтектоидной температуры (Ac1). ayстенит становится неустойчивым и претерпевает превращения, характер которых зависит от скорости охлаждения. Если действительная скорость охлаждения стали будет превышать верхнюю критическую скорость закалки (рис.1), то сталь получит мартенситную структуру. Более медленное охлаждение, но со скоростью больше нижней критической приводит к образованию троостито - мартенситной структуры, а еще более медленное охлаждение приводит к переходу всего аустенита в феррито - цементитную смесь.
При закалке стального изделия скорость охлаждения по его сечению резко неоднородна и распределяется по сечению так, как показано на рисунке 1. Если действительная скорость охлаждения на некоторой глубине окажется меньше нижней критической, то изделие прокалится только на некоторую глубину. В этом случае в сердцевине произойдет распад аустенита с образованием пластинчатой феррито - карбидной структуры (троостита, сорбита или перлита). За глубину закаленного слоя условно принимают расстояние от поверхности до полумартенситной зоны (50 % мартенсита + 50 % троостита).
|
|
|
Диаметр заготовки, в центре которой после закалки в данной охлаждающей среде образуется полумартенситная структура, называют критическим диаметром. Величина критического диаметра определяет размер сечения изделия, прокаливающегося насквозь, то есть получающего высокую твердость, а после отпуска - и высокие механические свойства по всему сечению. Заготовки, диаметр которых меньше Дк, будут прокаливаться насквозь, а заготовки, диаметр которых больше Дк, насквозь прокаливаться не будут.
Прокаливаемость тем выше, чем меньше критическая скорость закалки, то есть чем выше устойчивость переохлажденного аустенита и чем правее на диаграмме изотермического распада аустенита расположены С - кривые. Поэтому все факторы, уменьшающие величину критической скорости закалки (повышающие устойчивость переохлажденного аустенита) увеличивают прокаливаемость. Основные факторы, влияющие на величину критической скорости закалки:
|
|
|
- Состав аустенита. Все элементы, растворимые в аустените (за исключением кобальта), замедляют превращение, то есть сдвигают С - кривые вправо;
- Нерастворенные частицы (карбиды, оксиды, интерметаллические соединения). Эти частицы ускоряет распад аустенита, так как являются дополнительными центрами перекристаллизации;
- Неоднородный аустенит быстрее превращается в перлит, так как скорость превращения определяется в этом случае менее насыщенной честью твердого раствора, а чем меньше в аустените углерода, тем левее расположены С - кривые;
- Размер зерна аустенита. Увеличение размера зерна замедляет превращение, так как центры перекристаллизации образуются преимущественно по границам зерен, а чем крупнее зерно, тем меньше суммарная протяженность границ.
Действительная скорость охлаждения зависит от того, в каком охладителе производится закалка. Например, масло охлаждает медленнее, чем вода. Следовательно, Дк.м.<Дк.в. Чтобы не ставить прокаливаемость в зависимость от способа охлаждения вводят понятие идеальный критический диаметр. Это диаметр максимального сечения, прокаливающегося насквозь в идеальной жидкости, отнимающей тепло с бесконечно большой скоростью.
|
|
|
Критический диаметр - важная и удобная величина при назначении марки стали на изделие. Если нужно, чтобы изделие при термической обработке прокаливалось насквозь, следует выбрать такую сталь, чтобы Дк<Дизд.
Для определения прокаливаемости применяют следующие методы: по излому, измерение твердости по сечению закаленного бруска, метод торцевой закалки.
По излому прокаливаемость определяется на образце сечением 20 - 20 мм из инструментальной стали с низкой прокаливаемостью. Закаленному слою соответствует фарфоровидная часть излома.
Измерением твердости определяют прокаливаемость на дисках, вырезанных из закаленного бруска длиной не менее четырех диаметров.
Метод торцевой закалки согласно ГОСТ 5657-69 является основным. Прокаливаемость определяют на стандартных образцах. Образец нагревают до температуры закалки стали данной марки. Время прогрева образца до температуры закалки составляет 30 - 50 минут. Выдержка образца при температуре закалки после нагрева - 30 минут. При нагреве торец образца, подлежащий охлаждению водой, должен быть предохранен от окисления и обезуглероживания. Если нагрев производят в печи без контролируемой атмосферы, то образец помещают в стальной цилиндрический стакан с крышкой. Торцом, предназначенным для охлаждения, образец ставят на графитовую пластину или на слой отработанного графита. Время с момента извлечения образца из печи до начала охлаждения не должно превышать 5 секунд. Образец должен находиться под струей воды до полного охлаждения (не менее 10 минут). Температура воды должна быть в пределах от 5 до 25°С. Закалка образца производится в специальной установке, состоящей из держателя образца и сопла. Установка должна соответствовать следующим основным требованиям:
|
|
|
а) образец должен устанавливаться вертикально: торцовой поверхностью над соплом. Оси образца и сопла должны совпадать;
|
|
б) диаметр сопла, высота свободной струи воды над соплом и расстояние от струи до торца должны соответствовать значениям, указанным в ГОСТе;
в) высота струи в процессе охлаждения образца должна быть постоянной;
г) вода должна касаться только торца образца, не омывая его цилиндрической поверхности.
Для замера твердости по всей длине закаленного образца сошлифовывают две диаметрально противоположные площадки.
Для построения кривой прокаливаемости стали на сошлифованных площадках производят замер твердости по Роквеллу - HRC ). Замер твердости начинают на расстоянии 1,5 мм от закаленного торца в осевом направлении. Первые 16 замеров от торца образца производят с интервалом 1,5 мм, а затем - через 3 мм. По этим данным строят график зависимости твердости от расстояния до торца (рис. 2). Взяв из таблицы значение твердости полумартенситной зоны, соответствующее содержанию углерода в исследуемой стали, определяют расстояние (рис. 2) до полумартенснтной зоны. Определив это расстояние, можно по номограмме (рис.3,) найти критический диаметр цилиндирической детали (с различным, отношением высоты к диаметру), шара или параллелепипеда для различных условий охлаждения.
В верхней части номограммы(рис. 3) даны две шкалы I и 2, характеризующие расстояние от охлажденного торца образца. Для определения наибольшего диаметра (называемого критическим) детали, прокаливающейся полностью с образованием мартенситной структуры, используют шкалу I, а для определения наибольшего диаметра для полумартенситной зоны (50 % мартенсита и 50 % троостита) - шкалу П. Схема пользования номограммой приведена на рисунке 3. На шкале I или соответственно шкале П находят расстояние от торца до конца мартенситной или полумартенситной зоны, найденное экспериментально для данной стали, Из этой точки опускают перпендикуляр до пересечения с линией по номограммы (точка I на рис.3), указывающей идеальное охлаждение. Из этой точки проводят горизонтальную линию влево до пересечения с линией номограммы (точка 2), соответствующей нужной в искомом случав среде охлаждения (вода, масло, воздух). Затем из точки 2 опускают перпендикуляр на шкалу "размер, мм" (в нижней части номограммы). В точке пересечения читается ответ - наибольший диаметр образца, прокаливающегося полностью в выбранной закалочной жидкости.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Изучить основы теории прокаливаемости и методику торцового испытания.
2. Подготовив установку и нагрев образец исследуемой стали до необходимой температуры, произвести торцевую закалку.
3. Замерив твердость вдоль образца и построив график зависимости ее от расстояния до торца, определить с помощью таблицы глубину проникновения закаленной зоны.
4. По этому значению прокаливаемости с помощью номограммы (рис.3) определить критический диаметр.
5. Используя диаграммы прокаливаемости (приведенные в предложенных задачах), рассчитать критический диаметр цилиндрической детали или шара для различных условий охлаждения при закалке.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ.
1. Что понимают под прокаливаемостью?
2. Что принимается за глубину закаленного сдоя?
3. Что понимается под полумартенситной зоной?
4. Какие факторы влияют на прокаливаемоеть?
5. Как сказывается на прокаливаемости стали температура нагрева под закалку?
6. Как зависит прокаливаемость стали от содержания углерода, легирующих элементов и размера аустенитного зерна?
7. Что понимается под критическим диаметром?
8. Что понимают под идеальным критическим диаметром?
9. Почему получается различная прокаливаемость при охлаждении в различных охлаждающих средах?
10.Что такое верхняя и нижняя критические скорости закалки?
11.Что является мерой прокаливаемости при торцовом испытании?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 13.
ЦЕМЕНТАЦИЯ СТАЛИ
Цель работы. Ознакомиться с процессом цементации стали в твердой и газовой среде, с термической обработкой после цементации и свойствами цементованной стали.
СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА ЦЕМЕНТАЦИИ
Цементация - это химико-термическая обработка, при которой поверхность стальных деталей насыщается углеродом.
Цель цементации - получение на поверхности детали высокой твердости и износостойкости в сочетании с вязкой сердцевиной.
Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода 0,1 - 0,2%. Насыщение поверхностного слоя происходит при нагреве детали до определенной температуры в среде, легко выделяющей углерод в активном состоянии. В результате изменения химического состава поверхностного слоя меняется также его фазовый состав и микроструктура. Основные параметры химико-термической обработки - температура и продолжительность выдержки. Она обеспечивает получение упрочненного слоя одинаковой толщины от поверхности. На поверхности концентрация углерода достигает 1,1 - 1,2 %. Более высокое содержание углерода приводит к образованию значительных количеств вторичного цементита, сообщающего слою повышенную хрупкость. Глубина цементованного слоя зависит не только от температуры, при которой осуществляется процесс, но и от времени выдержки при этой температуре (рис. I).
Обычно скорость цементации составляет примерно 0,1 мм за 1ч выдержки. Поскольку глубина цементованного слоя редко требуется более 0,5 мм, процесс осуществляют,- за 8 - 12 часов. Цементацию проводят в твердом, жидком и газообразном карбюризаторах. Среда, поставляющая углерод к поверхности детали, подвергаемой цементации, называется карбюризатором.
Твердая цементация производится в специальных ящиках, в которых детали 1 (см.рис.2) укладываются попеременно с карбюризатором 2. Ящики закрываются крышками и замазываются огнеупорной глиной для предотвращения утечки газов.
В качестве твердого карбюризатора используют дубовый или Березовый древесный уголь и активизаторы ВаСО3 или Nа2СО3 (сода). При нагреве до температуры 930 - 950°С идут диффузионные процессы при которых образующиеся активные атомы углерода диффундируют в кристаллическую решетку железа. Процесс цементации в твердом карбюризаторе проводят выше Ас3, когда сталь находится в аустенитном состоянии, в котором растворяется до 2 % углерода. Процесс твердой цементации - продолжительная операция и занимает в зависимости от требуемой глубины цементации несколько часов. Такая продолжительность процесса объясняется
|
|
малой скоростью прогрева ящика, наполненного нетеплопроводным карбюризатором. Для контроля хода процесса цементации в ящик через отверстия вставляет два контрольных образца (свидетеля) 3, изготовленных из той же стали. По излому контрольных образцов судят, достигла ли глубина цементованного слоя заданной величины. Увеличение скорости цементации достигается применением цементации в газовых средах.
При газовой цементации (впервые была осуществлена Аносовым П.Д. на Златоустовском заводе) детали нагревают в герметичных печах в атмосфере углеродосодержащих газов. Для газовой цементации используют природный газ (содержит до 92 - 96 % метана) или искусственные газы, полученные пиролизом жидких углеводородов - керосина, бензола.
При газовой цементации герметически закрытая реторта печи наполнена цементирующим газом. Чаще с определенной скоростью через нее проходит цементирующий газ (рис. 3). Газовая цементация осуществляется в стационарных или методических (непрерывно действующих) конвейерных печах. Цементирующий газ приготовляют отдельно и подают в цементационную реторту.
В настоящее время газовая цементация является основным процессом для массового производства, и только для мелкосерийного, или единичного производства экномически целесообразен более простой способ твердой цементации.
Жидкая цементация производится в расплавленных солях, обычно в солях, состоящих из карбонатов щелочных металлов. Эту смесь расплавляют в ванне и цементации проводят посредством погружения деталей в расплав. Процесс ведут при 850°С на протяжении 0,5 - 3,0 часов, при этом глубина сдоя получается в пределах 0,2 - 0,5 мм. Основное достоинство процесса - возможность непосредственной закалки из цементационной ванны и малые деформации обработанных изделий.
В условиях индивидуального и мелкосерийного производства некоторое применение нашла цементация из паст. В этом случае на обрабатывавшуюся поверхность наносится обмазка, содержащая сажу (33 - 70 %), древесную пыль (20 - 60 % ), желтую кровяную соль (5 - 20 %) и другие компоненты. В качестве связующих материалов используют органические, органоминеральные и неорганические клеи. Толщина обмазки должна быть в 6 - 8 раз больше требуемой толщины цементованного слоя.
В качестве карбюризатора используют также керосин, бензол и некоторые масла. Интенсивность подачи определяют по
|
|
количеству капель жидкости в I мин и составляет от 120 - 180 капель.
Кроме перечисленных видов цементации в последние годы появились: цементация из паст, вакуумная цементация, цементация в псевдосжиженном слое, ионная цементация, которые предназначены для цементации деталей сложного профиля, ответственного назначения для сокращения длительности процесса.
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЦЕМЕНТОВАННЫХ ДЕТАЛЕЙ
Полученный в результате цементации и последующего медленного охлаждения наружный слой содержит более 0,8 % углерода и имеет структуру заэвтектоидных сталей - перлит и вторичный цементит. Глубже лежит слой эвтектоидного состава с перлитной структурой, а далее - слой сферрито - перлитной структурой. Кроме того, после цементации из-за длительной выдержки при высоких температурах стали приобретают крупнозернистость.
Эти обстоятельства необходимо учитывать при назначении обязательной после цементации термической обработки, Целью термообработки цементованной стали является упрочнение поверхности с одновременным измельчением зерна и получением вязкой сердцевины. В зависимости от назначения детали применяет различные варианты термической обработки. Менее ответственные детали подвергают закалке непосредственно с цементационного нагрева с последующим низким отпуском (рис. 4,а).
Крупное зерно аустенита, выросшее в результате длительной цементации, дает .грубокристаллический мартенсит отпуска в поверхностном слое и крупнозернистую феррито -перлитную структуру в сердцевине детали. Эти недостатки в определенной мере устраняются при использовании наследственно мелкозернистых сталей, применении газовой цементации, сокращающей время пребывания стали при высокой температуре. Использование подстуживания при закалке до 750 - 800°С снижает внутренние напряжения, а обработка холодом уменьшает количество остаточного аустенита в цементованном слое.
При более высоких требованиях к структуре детали после цементации: ее подвергают охлаждению на воздухе, однократной закалке с нагревом выше Ас3 и низкому отпуску (ряс. 4,6). При этом в сердцевине и на поверхности детали происходит перекристаллизация и измельчение зерна. Однако в поверхностном высокоуглеродистом слое происходит некоторый перегрев, так как оптимальный закалочный нагрев заэвтектоидных сталей - это нагрев выше Ac1, но ниже Асm.
Особо ответственные детали после цементации подвергают двойной закалке с низким отпуском (рис. 4,в). При первой закалке с температуры на 30 - 50°С выше Асз происходит перекристаллизация сердцевины детали с образованием мелкого аустенитного зерна, обеспечивающего мелкозернистость продуктов распада. Одновременно при этом цементитная сетка в цементованном слое растворяется.
При нагреве под вторую закалку мартенсит, полученный после первой закалки, претерпевает отпуск и при этом образуются глобулярные карбиды, увеличивающие твердость поверхностного заэвтектоидного слоя. Кроме того при второй закалке с температуры выше Ac1 на 30 - 50°С обеспечивается мелкое зерно в поверхностном слое.
После такой термообработки поверхностный зазвтектоидный слой будет иметь структуру отпущенного мартенсита с включениями глобулярных карбидов. Структура сердцевины определяется химическим составом стали. При цементации углеродистой стали из-за низкой прокаливаемости сердцевина имеет феррито-перлитную структуру. Легированная сталь при цементации позволяет получать в сердцевине структуру сорбита, троостита или даже мартенсита, но благодаря низкой концентрации углерода сердцевина будет иметь высокую ударную вязкость.
На рис. 5 показана структура стали, содержащей в исходной состоянии 0,15 %С, после цементации без дополнительной термической обработки (охлаждение после цементации было медленным). Микроструктура поверхностного цементованного слоя состоит из перлита и сетки цементита. По мере удаления от поверхности к сердцевине количество перлита непрерывно уменьшается и ближе к центру образца - исходная структура стали, состоящая из феррита и незначительного количества перлита.
На рас. 6 и 7 показана структура цементованной стали после окончательной термической обработки, то есть нормализации при 900°С, закалки от 770°С и отпуска при 150°С. Структура поверхностного сдоя -мартенсит отпуска (см.рис. б). Структура сердцевины - мартенсит и феррит (рис. 7). Образец закалился насквозь, но так как закалка была произведена от 770°С, то для сердцевины это будет неполной закалкой и в структуре наряду с мартенситом встречается феррит (светлые зерна).
После цементации и термической обработки твердость поверхностных слоев составляет (НRC58 – 63).
|
|
Цементации подвергают разнообразные детали: зубчатые колеса, поршневые пальцы, червяки, оси и другие детали, иногда значительных размеров (например, крупногабаритные кольца и ролики шарикоподшипников).
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1.Ознокомиться с правилами техники безопасности.
2.Кратко изложить цель работы и теорию вопроса.
3.Измерить на приборе Роквелла твердость сталей до цементации и после цементации и термообработки.
4.Изучить и схематически зарисовать микроструктуры сталей, указать структурные составляющие.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1.Что понимается под цементацией стали?
2.Какова цель цементации?
3.Какие стали подвергают цементации?
4.От чего зависит глубина цементованного слоя?
5.Для чего после цементации производится термообработка?
6.Что такое карбюризатор?
7.В чем суть твердой цементации?
8.Какие вещества активизируют процесс цементации?
9.Почему процесс твердой цементации более продолжителен по сравнению с газовой цементацией?
10.Какие вещества используются в качестве карбюризаторов при твердой и газовой цементации?
11.Какой способ цементации экономически целесообразен?
12.Преимущества и недостатки жидкой цементации?
13.Для чего производят термическую обработку цементованных деталей?
14.Какова структура слоев стали после цементации и термической обработки?
15.Каковы варианты термической обработки после цементации стали?
16.Какой термической обработке подвергают особо ответственные детали после цементации?
17.Какова структура цементованных сталей после термической обработки?
18.Какова твердость поверхностных слоев стали после цементации и термической обработки?
19.Какие детали подвергают цементации?
Список рекомендуемой литературы
1.Гуляев А.П. Металловедение: Учеб. для вузов. - 6-е изд., перераб. - М.: Металлургия, 1986. 647 с.
2.Металловедение и технология металлов/Под ред. Ю.П, Солнцева. - П.: Металлургия, 1988. 512 с.
3. Технология металлов и материаловедение/ Под ред. Л.Ф. Усовой. - М„: Металлургия, 1987. 800 с.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14
Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 772; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!