Химико-термическая обработка

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Доклад на тему:

«Химико-термическая обработка»

2013

1. Химико-термическая обработка (ХТО)

Химико-термическая обработка (ХТО) - это термическая обработка, сочетающая тепловое воздействие с химическим, в результате чего изменяется состав и структура в поверхностных слоях, а иногда и по всему объему изделия.

В результате ХТО происходит изменение свойств поверхностного слоя детали, т.е. повышаются твердость, износостойкость, жаростойкость, окалиностойкость, коррозионная стойкость.

Обычно при ХТО деталь помещают в среду, богатую элементом (карбюризатор), который диффундирует в металл.

При ХТО происходят три элементарных процесса:

- диссоциация, когда под действием температуры в карбюризаторе происходит распад молекул и образование активных атомов диффундирующего элемента;

- адсорбция, которая происходит на границе карбюризатор - деталь и состоит в поглощении (растворении) поверхностью свободных активных атомов, получившихся после диссоциации;

- диффузия, в результате которой происходит проникновение насыщающего элемента вглубь металла.

В зависимости от диффундирующего насыщающего поверхность элемента различают следующие виды ХТО:

- цементацию (углерод);

- азотирование (азот);

- нитроцементацию (азот + углерод);

- сульфаазотирование (сера + азот);

- алитирование (алюминий);

- хромирование (хром).

Цементация стали.

При цементации происходит поверхностное насыщение стали углеродом, в результате чего получается высокоуглеродистый поверхностный слой, а сердцевина стали остается мягкой и вязкой, несмотря на то, что сталь после цементации подвергается закалке.

Цементация выгодно распределяет углерод от поверхности, а термическая обработка (закалка) упрочняет деталь, поверхность и сердцевину.

Поверхность стали после такой обработки имеет высокую твердость и износостойкость при вязкой сердцевине.

Цементации подвергают низкоуглеродистые и легированные стали с содержанием углерода меньше 0,3 %, которые должны обладать:

- закаливаемостью на 29-43 HRC (углеродистые 08, 10, 15, 20; легированные 20ХГТ, 12ХН2);

- прокаливаемостью, обеспечивающей требуемую структуру сердцевины;

- наследственно-мелкозернистостью;

- хорошей технологичностью при насыщении углеродом и последующей термической обработке и обработке резанием.

Различают два вида цементации: твердую и газовую.

Долговечность и надежность цементированных деталей и допустимый уровень их нагружения при эксплуатации определяются следующими параметрами:

- составом стали;

- толщиной и структурой цементированного слоя (рис.12.1);

- наличием дефектов в слое;

- твердостью поверхностных слоев и сердцевины.

Рис. 1 Толщина и структура цементированного слоя

На цементацию детали поступают с припуском на шлифование 0,05- 0,1мм; температура цементации выше Ас3 (930-950 оС). В твердом карбюризаторе 1 мм слоя образуется в течение 8-10 ч, в газовом - 1 мм образуется за 6 - 7 ч.

Твердый карбюризатор - древесный активированный уголь, каменноугольный полукокс и торфяной кокс с добавками активизаторов (BаCО3 и Na2СО3) в количестве 10 - 40 % от веса угля.

Газовый карбюризатор - природный газ и жидкие углеводороды.

Для неответственных деталей закалка их может производиться сразу с температур цементации (рис. 12.2,а) или после повторного нагрева до температуры выше Ас1 на 30 оС и охлаждении в воде (рис. 12.2, б).

Для ответственных деталей после цементации делают двойную закалку с нагревом выше Ас1 + 30 оС и охлаждением в воде (рис. 12.2, в).

После любого режима термической обработки делается низкий отпуск (160-180 оС).

Глубина цементированного слоя составляет 0,5 - 2,0 мм (иногда до 4 мм) с концентрацией углерода 0,8 - 1,2 % ( рис. 12.1).

За глубину цементированного слоя принимают глубину слоя со структурой заэвтектоидной, эвтектоидной и доэвтектоидной стали с содержанием углерода более 0,4 % (рис.12.1).

Рис. 2 Режимы термической обработки цементированных деталей

При цементации получаем твердость поверхностного цементированного слоя углеродистой стали 60-64 HRC (900HV), для легированной 58-61HRC (снижение твердости происходит за счет наличия в структуре остаточного аустенита); твердость сердцевины составляет 20-35HRC.

Азотирование стали.

Азотирование - это процесс насыщения поверхностного слоя азотом.

Цель такой обработки изделия: получение высокой твердости, износостойкости, повышенной усталостной прочности, сопротивления коррозии. Карбюризатором является аммиак (NH3 > 3H + N).

Азотированию при температуре 500 - 600 оС с выдержкой до 60 часов подвергают готовые изделия, прошедшие механическую и окончательную термическую обработку (закалку и высокий отпуск). К азотируемым сталям относятся среднеуглеродистые стали, легированные хромом, молибденом, алюминием (38Х2МЮА, 35ХМА, 38Х2Ю). Глубина азотированного слоя составляет 0,3 - 0,6 мм, скорость азотирования - 0,01 мм/ч и менее.

Твердость азотированного слоя по Виккерсу составляет ~ 1200HV.

Азотированию подвергают мерительный инструмент, гильзы, цилиндры, зубчатые колеса, шестерни, втулки, коленчатые валы.

диффузия термический коррозионный

2. Термомеханическая обработка

Термомеханическая обработка стали (ТМО) заключается в сочетании пластической деформации стали в аустенитном состоянии ("аусформинг") с закалкой.

Различают два способа ТМО - это высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО) и низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО) (рис.13.1).

Рис. 3 Схема термомеханической обработки стали: а - ВТМО; б - НТМО (заштрихованная зона - интервал температур рекристаллизации)

ТМО обоих видов заканчивается низким отпуском при 100-200 оС. При ТМО повышается весь комплекс механических свойств и особенно пластичность и вязкость, что наиболее важно для высокопрочного состояния. По сравнению с обычной обработкой прирост прочности при ТМО составляет 200-500 МПа, т.е. 10-20 %. Характеристики пластичности и вязкости повышаются в 1,5-2 раза.

Улучшение комплекса механических свойств обусловлено формированием специфического структурного состояния. Деформация создает в аустените высокую плотность дислокаций, образующих из-за процесса полигонизации устойчивую ячеистую субструктуру, которая наследуется мартенситом при закалке. При этом субграницы тормозят движение дислокаций и локализируют деформацию внутри зерна; в результате прочность повышается. В то же время субграницы ведут себя как полупроникаемые барьеры. Они допускают прорыв дислокаций, их передачу из мест скоплений в соседние субзерна. Это вызывает пластическую релаксацию локальных напряжений и служит причиной повышенных пластичности и вязкости.

Наибольшее упрочнение (ув ? 2800 МПа) достигается при НТМО. Однако ее проведение технологически более сложно, чем ВТМО. Она требует мощных деформирующих средств и пригодна для легированных сталей с большой устойчивостью переохлажденного аустенита.

ВМТО обеспечивает меньшее упрочнение (ув ? 2400 МПа ), но более высокие пластичность и вязкость. Она уменьшает также чувствительность к трещине, снижает порог хладноломкости, повышает сопротивление усталости и затрудняет разупрочнение при отпуске, что связано с устойчивостью ячеистых дислокационных структур мартенсита. Особенно эффективна ВТМО для чистого вакуумированного металла. Кроме того, ВТМО более технологична и для неё пригодны любые конструкционные стали.

Область ВТМО расширяет явление обратимости эффекта упрочнения. Оно состоит в том, что свойства, полученные при ВТМО, наследуются после повторной закалки. Это позволяет закладывать определенный ресурс свойств в стальные полуфабрикаты (поковки, прутки, листы и т.п.), подвергая их ВТМО на металлургическом заводе.

К структурным методам исследований традиционно относят методы макро- и микроанализа для исследования соответственно макро- и микроструктуры металлов, а также тонкой структуры материалов. Большинство методов анализа структуры с помощью приборов основаны на взаимодействии с объектом электромагнитного излучения определённой длины волны: световых волн видимого спектра (оптическая микроскопия), рентгеновского излучения (рентгеноструктурный анализ), излучения электронов (электронная просвечивающая или растровая микроскопия) или нейтронов (метод дифракции нейтронов).Чем тоньше объект исследования, тем более коротковолновое излучение должно использоваться для выявления структурных особенностей объекта. Длина волны излучения определяет разрешающую способность прибора - минимальную величину объекта, различимую с его помощью. Так, оптический микроскоп позволяет анализировать детали структуры, размер которых до 200 нм. Использование электронного излучения с очень малой длиной волны (0,004-0,012 нм) позволяет выявлять детали изучаемого объекта размером до 0,2-0,5 нм.

Обширную информацию о тонком строении кристаллов можно получить с помощью дифракционных методов, основанных на взаимодействии атомов в кристаллической решетке с короткими волнами рентгеновских лучей, электронов или нейтронов.

Металлографический анализ проводят с целью исследования микроструктуры и фазового состава сталей и сплавов, оценки количества, размеров, формы и распределения различных фаз и структурных составляющих. Этот вид исследований позволяет установить связь химического состава, условий производства и обработки сплава с его микроструктурой и свойствами.

Микроструктуру металлов исследуют с помощью оптических металлографических микроскопов, позволяющих наблюдать структуру на специально подготовленных образцах (микрошлифах) при увеличениях от 30-50 до 1500-1800 крат. В световом микроскопе воспроизводится увеличенное изображение отдельных участков микрошлифа, которое является результатом отражения света от различных элементов рельефа поверхности.

отсутствие на поверхности царапин, рисок, ямок и загрязнений;

минимальная деформация поверхностного слоя металла;

минимальное заваливание края исследуемой поверхности металлов и сплавов после ХТО;

получение достаточно плоской поверхности, чтобы шлиф можно было рассматривать при больших увеличениях;

соответствие строения выбранного образца структуре всего изучаемого объекта.

Процесс приготовления металлографических микрошлифов включает в себя следующие основные операции:

Вырезка образцов проводится с учетом особенностей структуры, технологии получения изучаемого объекта (литье, пластическая деформация, термическая и химико- гермическая обработки), а также цели металлографического исследования. Площадь поверхности образцов, используемых для приготовления микрошлифов, обычно составляет 1-4 см2. Для удобства исследования и полирования образцы, вырезанные из детали, обычно имеют высоту 10-15 мм. В качестве режущего инструмента используются диски с алмазным напылением - кубический нитрид бора CBN.

Подготовка плоской поверхности производится путем токарной обработки, фрезерования, шлифования. Изготовление шлифов происходит путем горячей заливки в сплав Вуд, холодной заливки в различные смолы, в том числе на эпоксидной и акриловой основе, или холодной и горячей запрессовки (рис. 3) в различные компаунды и пластмассы.

Шлифование проводится с помощью шлифовальной бумаги нескольких номеров (например, Р100, Р240, Р600, Р1000, Р2000, Р2500) с последовательно уменьшающейся зернистостью. Необходимо, чтобы при шлифовании на каждой шкурке все риски от предыдущей операции были удалены.

Полирование служит для удаления мелких рисок, оставшихся после шлифования, и получения гладкой зеркальной поверхности шлифа. Полирование проводится с помощью алмазных паст или суспензий с разной дисперсностью частиц - 9 мкм, 6 мкм, 3 и 1 мкм, которые наносятся на специальную ткань с высоким ворсом для финальной полировки.

Автоматизированное полирование в настоящее время проводится на специальных шли- фовально-полировальных установках .

Иногда применяется электролитическое полирование, при котором образец в качестве анода помещают в электролизную ванну. Этот метод обеспечивает быстрое получение зеркально отполированной поверхности на грубо отшлифованном образце. Полирование считают законченным, когда на поверхности шлифа под микроскопом не наблюдается рисок или царапин.

Травление микрошлифов проводится с помощью химических реактивов, различающихся по своему воздействию на поверхность металла. Состав реактива зависит от химического состава стали и ее обработки. Для углеродистых и низколегированных сталей чаще всего применяется 4 %-ный спиртовой раствор азотной кислоты HN03 или %-ный водный раствор пикриновой кислоты. Для травления средне- и высоколегированных сталей применяются 15 и 30 %-ные спиртовые растворы азотной кислоты HN03, а для выявления структуры упрочненных слоев у нержавеющих сталей электролитическое травление в 10 %-ной щавелевой кислоте. Принцип травления основан на избирательном растворении различных фаз и пограничных участков вследствие различий в их физико-химических свойствах. Если отполированный микрошлиф подвергнуть действию химически активной среды, то степень травимости отдельных структурных элементов оказывается различной.

Современные методы исследования микроструктуры не могут обойтись без конфокальных лазерных сканирующих микроскопов, которые сочетают в себе как оптический, так и лазерный сканирующий микроскоп, которые разработаны для объемных исследований и сверхвысокоточных 3D измерений в режиме реального времени. Диапазон увеличений у таких микроскопов до х 18000 с длиной волны лазерного излучения 405 нм.

Электрография - это метод исследования, основанный на анализе плазменного свечения электрических разрядов на поверхности предметов, помещённых в переменное электрическое поле высокой частоты («эффект Кирлиана»), в результате чего между электродом и исследуемым объектом возникает поверхностное напряжение 5-30 кВ.

Рентгеноструктурный анализ (РСА) основан на явлении дифракции рентгеновских лучей на объектах, обладающих кристаллическим или частично кристаллическим строением. Одной из важнейших прикладных задач РСА является идентификация вещества по его кристаллоструктурным характеристикам - качественный фазовый анализ, что особенно важно для многофазных и сложнокомпонентных металлических сплавов и покрытий.

Фазовый рентгеноструктурный анализ выполняется на соответствующих установках, например ДРОН-3.

Идентификация фаз диффузионных слоев и покрытий проводится методом послойного фазового рентгенографического анализа. Удаление слоев производится механическим способом с измерением сошлифованной глубины на оптиметре.

Преимуществом рентгеноструктурного фазового анализа, по сравнению с химическими методами определения фаз, является возможность различать фазы с аналогичным химическим составом, но разной кристаллической структурой.

Поскольку рентгеновские лучи не воспринимаются непосредственно органами чувств человека, рентгеновские кванты необходимо преобразовать в соответствующие сигналы. В дифрактомстрическом методе излучение регистрируется с помощью счетчиков: амплитуда сигнала на выходе этих счетчиков пропорциональна энергии рентгеновских квантов (рис. 14). Регистрация дифракционной картины происходит последовательно при изменении угла между отражающими плоскостями и первичным пучком.

Основной принцип электронно-зондовых методов анализа состоит в сканировании поверхности исследуемого образца тонко сфокусированным электронным лучом. Основными прикладными методами исследований, основанными на принципах электронно- зондового анализа, являются растровая электронная микроскопия (РЭМ) и рентгеноспектральный микроанализ (РСМА). В этих методах поверхность исследуемого пассивного образца облучается стабильным во времени тонко сфокусированным электронным зондом, совершающим возвратно-посгупательное движение по линии или развертывающимся в растр. Сигналы, возникающие в результате взаимодействия электронов с образцом, регистрируются детекторами, усиливаются и передаются на экран, причем каждая точка на образце соответствует определенной точке на экране, а ее яркость определяется интенсивностью сигнала из соответствующей точки образца.

Как известно, стальные детали или образцы после химико-термической обработки не испытывают на разрыв и удар с целью определения прочностных свойств, пластичности и ударной вязкости. Упрочненные детали методами химико-термической обработки обладают высокой твердостью. В связи с этим основными показателями исследования механических свойств упрочненных слоев стальных изделий являются твердость и износостойкость.

Таким образом, основными показателями определения упрочнения поверхности стальных изделий являются методы испытаний на твердость и износостойкость.

Выводы

Для исследований в направлении разработки эффективных упрочняющих технологий возникает задача создания новых технологических методик и приборов для изучения строения диффузионных покрытий после ХТО, что позволяет изучить последовательность выделения фаз в диффузионном слое и выработать способы регулирования фазового состава.

Разработка комплекса методов исследования базируется на принципе взаимосвязи структурных и фазовых превращений с изменением физических и механических свойств. Например, изменение прочностных или эксплуатационных характеристик сплавов, в зависимости от их фазового состояния, является предпосылкой использования подобных методов для разработки способов регулирования строения упрочненных слоев при ХТО.

В комплекс предлагаемых методов исследования структуры металлов и поверхностных слоев входят как стандартные методы анализа (металлографический анализ микроструктуры, электронная микроскопия, рентгеноструктурный и фазовый анализ, микро- рентгеноспектральный анализ), так и новые или усовершенствованные методы. При разработке новых методов руководствовались следующими принципами: максимальная автоматизация процесса исследований, использование современных компьютерных технологий и средств мультимедиа, возможность получения расширенной информации о структуре, повышение наглядности, экс- пресс-анализ.

Для усовершенствования количественного металлографического исследования структуры разработано устройство компьютерного анализа изображений с соответствующим программным обеспечением, основанное на определении и подсчете элементов структуры по цвету и интенсивности их изображения на цифровой фотографии. Метод позволяет в автоматизированном режиме определять геометрические параметры структурных и фазовых составляющих (размерные характеристики, объемную долю), параметры поверхностных слоев, особенности расположения и количественное соотношение фаз, проводить соответствующую статистическую обработку.

Принцип электрографии использован при разработке экспресс-метода исследования особенностей упрочненных слоев металлических материалов. В электрографическом методе интерпретируется компьютерное изображение специфического свечения металлической поверхности, которое возникает в результате воздействия на эти объекты электромагнитного поля высокого напряжения. Каждый из элементов структуры обладает индивидуальным спектром излучения, поэтому путем компьютерной обработки цветной фотографии свечения можно проводить структурный и фазовый анализ.

Разработанный комплекс методов включает методы испытаний основных характеристик упрочнения, и, прежде всего, параметров твердости нанотвердости покрытий.

Исследовательский комплекс дополнен новыми методами испытаний поверхности на износ. Сконструированный экспериментальный стенд для сравнительных трибологических испытаний с компьютерной системой позволяет вести непрерывную регистрацию линейного износа неподвижного и вращающегося образцов, коэффициентов трения, а также контроль температуры в зоне контакта. Разработанное устройство для проведения испытаний на износ в коррозионио-активной среде позволяет дополнительно определять устойчивость поверхности образца против коррозии.

Размещено на Allbest.ru