Высокой частоты и химико-термической обработки.

Задачи работы: изучить макро- и микроструктуру и свойства стали после поверхностной закалки с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ), цементации без закалки и с закалкой, азотирования и цианирования.

Теоретические сведения. К основным способам поверхностного упрочнения сталей относятся поверхностная закалка ТВЧ, цементация, азотирование и цианирование. При этих способах упрочнения получают твердые и износостойкие поверхности деталей при сохранении достаточно вязкой сердцевины.

Поверхностная закалка с нагревом ТВЧ состоит в том, что поверхностный слой детали быстро нагревают до аустенитного состояния в переменном электромагнитном поле и затем охлаждают со скоростью, большей критической. Так закаливают среднеуглеродистые стали, содержащие 0,35-0,6% углерода. Процесс отличается высокой производительностью и применяется преимущественно в массовом производстве при упрочнении шеек коленчатых валов, кулачков распределительных валов, сегментов, после восстановления изношенных деталей различными видами наплавки и др. После поверхностной закалки на поверхности деталей получают структуру очень мелкого, скрытокристаллического мертенсита, имеющего на 2-3 единицы большую твердость, чем обычный мартенсит. С удалением от поверхности мартенситная структура переходит с структуру мартенсита и феррита и твердость снижается. Сердцевина сохраняет первоначальную структуру перлита и феррита.

Для снижения остаточных напряжений в закаленном слое детали обычно подвергают низкому отпуску при 160-200ºС или самоотпуску, который осуществляется за счет тепла, оставшегося в них после закалки при охлаждении не до конца.

Цементация- процесс насыщения поверхности стали атомарным углеродом при нагреве ее до аустенитного состояния (900-950ºС) в углеродосодержащей среде (твердом, газовом или жидком карбюризаторе). Для получения высокой твердости поверхностного слоя при достаточной вязкости сердцевины цементированные детали подвергают закалке и низкому отпуску. Цементируют шестерни, поршневые пальцы, валики и ряд других деталей, изготовленных из углеродистых и легированных сталей, содержащих не более 0,3-0,35% С. После цементации структура поверхностного слоя, содержащего более 0,8% С, состоит из перлита и цементита. Далее в глубь детали она переходит в перлит (0,8% С) и в сердцевине состоит из перлита и феррита. Поскольку цементацию выполняют при повышенных температурах, полученная структура отличается крупнозернистостью.

После закалки и низкого отпуска цементированные детали в поверхностном заэвтектоидном слое (более 0,8% С) имеют структуру, состоящую из мартенсита и небольшого количества остаточного аустенита и цементита, в эвтектоидном слое (0,8% С)- из мартенсита. Структура сердцевины остается такой же, как и до закалки, но становится мельче. Цементированные детали после термообработки на поверхности имеют твердость НRС>58-60.

Азотирование- процесс насыщения стали атомарным азотом в среде аммиака при температуре 500-560ºС. Азотированию подвергают среднеуглеродистые стали, содержащие хром, алюминий и молибден. С этими элементами азот образует очень твердые и износостойкие нитриды. Твердость азотированного слоя в 1,5-2 раза выше твердости цементированного слоя. Кроме того, азотирование повышает сопротивляемость поверхностного слоя коррозии. Азотирование применяют для упрочнения гильз цилиндров, шестерен и др.

В структуре азотированной легированной стали 38ХМЮА на поверхности расположен тонкий нетравящийся белый слой, состоящий из ε+γ׳-фазы. Затем следует серый слой, представляющий собой смесь γ+α-фаз. Далее располагается α-фаза. Фазы γ׳ и ε представляют собой соответственно карбонитриды Fе4(N, С) и Fе2(N, С), а α-фаза является азотистым ферритом. В поверхностном слое располагаются также нитриды легирующих элементов. Микроструктура сердцевины состоит из сорбита отпуска, который получают термообработкой, проведенной до азотирования.

Цианирование- процесс одновременного насыщения поверхности стали углеродом и азотом. Цианирование может быть жидким или газовым (нитроцементация), а в зависимости от температуры нагрева- высокотемпературным (750-900ºС) или низкотемпературным (530-560ºС).

Жидкое цианирование осуществляется в расплавленных цианистых солях, газовое- в смеси науглероживающего газа и аммиака. Чаще применяют газовое высокотемпературное цианирование, которое более безопасно, отличается экономичностью и возможностью механизации процесса.

Высокотемпературное цианирование, при котором преобладает насыщение стали углеродом, применяется для деталей, изготовленных из среднеуглеродистых сталей (шестерни, пальцы, валики, гайки и др.). После цианирования детали подвергают закалке и низкому отпуску. Детали, подвергнутые высокотемпературному цианированию, имеют примерно такую же структуру, как и цементированные. Но в цианированном слое, кроме того, получается азотистый мартенсит, который отличается повышенной износостойкостью, усталостной прочностью и коррозионной стойкостью.

Низкотемпературное цианирование осуществляется при 550-600ºС, характеризуется насыщением поверхности стали преимущественно азотом и применяется для повышения режущих свойств инструмента из быстрорежущей стали.

Порядок выполнения работы.

Лабораторная работа проводится в металлографической или термической лаборатории.

Для работы в металлографической лаборатории необходимо иметь набор шлифов-образцов, подвергнутых поверхностной закалке после нагрева ТВЧ, цементации без закалки и с закалкой, азотированию и цианированию.

1.Изучить, зарисовать микроструктуру шлифов-образцов и указать ее структурные составляющие.

2.Указать марку стали исследуемых шлифов-образцов.

3.Определить толщину упрочненного слоя образцов.

4.Указать твердость на поверхности упрочненного слоя и в сердцевине.

5.Результаты исследований занести в протокол.

Для работы в термической лаборатории необходимо иметь наборы шлифов-образцов, подвергнутых поверхностной закалке ТВЧ, цементации без закалки и с закалкой.

1.Изучить, зарисовать микроструктуру шлифов-образцов и дать ей характеристику.

2.Указать марку стали исследуемых шлифов-образцов.

3.Определить характер и режим термической или химико-термической обработки.

4.Измерить на приборе Роквелла твердость по сечению образцов на различном расстоянии от поверхности и результаты занести в протокол.

5.Построить график изменения твердости в зависимости от глубины и определить толщину упрочненного слоя.