Испытание на сжатие образцов Определение деформаций при косом изгибе Лабораторные работы по сопромату Испытание материалов на выносливость Проверка теории изгибающего удара Расчет на прочность и жесткость Метод сечений

Лабораторные работы по сопромату

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

. Химико-термическая обработка стали

Химико-термическая обработка (ХТО) – процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностного слоя детали.

Изменение химического состава поверхностных слоев достигается в результате их взаимодействия с окружающей средой (твердой, жидкой, газообразной, плазменной), в которой осуществляется нагрев.

В результате изменения химического состава поверхностного слоя изменяются его фазовый состав и микроструктура,

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

В основе любой разновидности химико-термической обработки лежат процессы диссоциации, адсорбции, диффузии.

Диссоциация – получение насыщающего элемента в активированном атомарном состоянии в результате химических реакций, а также испарения.

Например,

15_files/image001.gif

Адсорбция – захват поверхностью детали атомов насыщающего элемента.

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

Диффузия – перемещение адсорбированных атомов вглубь изделия.

Для осуществления процессов адсорбции и диффузии необходимо, чтобы насыщающий элемент взаимодействовал с основным металлом, образуя твердые растворы или химические соединения.

Химико-термическая обработка является основным способом поверхностного упрочнения деталей.

Основными разновидностями химико-термической обработки являются:

цементация (насыщение поверхностного слоя углеродом);

азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом);

нитроцементация или цианирование (насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом);

диффузионная металлизация (насыщение поверхностного слоя различными металлами).

 

2. Назначение и технология 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 осуществляют в среде, легко 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 одинаковые объемы феррита и перлита ( h. = 1…2 мм).

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

Более высокое содержание углерода приводит к образованию значительных количеств цементита вторичного, сообщающего слою повышенную хрупкость.

На практике применяют цементацию в твердом и газовом карбюризаторе (науглероживающей среде).

Участки деталей, которые не подвергаются цементации, предварительно покрываются медью (электролитическим способом) или глиняной смесью.

Цементация в твердом карбюризаторе.

Почти готовые изделия, с припуском под шлифование, укладывают в металлические ящики и пересыпают твердым карбюризатором. Используется 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:

15_files/image002.gif

Образующиеся атомы углерода адсорбируются поверхностью изделий и диффундируют вглубь металла.

Недостатками данного способа являются:

значительные затраты времени (для цементации на глубину 0,1 мм затрачивается 1 час);

низкая производительность процесса;

громоздкое оборудование;

сложность автоматизации процесса.

Способ применяется в мелкосерийном производстве.

Газовая цементация.

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

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

Глубина цементации определяется температурой нагрева и временем выдержки.

Преимущества способа:

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

сокращение длительности процесса за счет упрощения последующей термической обработки;

возможность полной механизации и автоматизации процесса.

Способ применяется в серийном и массовом производстве.

Структура цементованного слоя

Структура цементованного слоя представлена на рис. 15.1.

15_files/image003.gif

Рис. 15.1. Структура цементованного слоя

На поверхности изделия образуется слой заэвтектоидной стали, состоящий из перлита и цементита. По мере удаления от поверхности, содержание углерода снижается и следующая зона состоит только из перлита. Затем появляются зерна феррита, их количество, по мере удаления от поверхности увеличивается. И, наконец, структура становится отвечающей исходному составу.

Термическая обработка после цементации

В результате цементации достигается только выгодное распределение углерода по сечению. Окончательно формирует свойства цементованной детали последующая термообработка. Все изделия подвергают закалке с низким отпуском. После закалки цементованное изделие приобретает высокую твердость и износостойкость, повышается предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе, при сохранении вязкой сердцевины.

Комплекс термической обработки зависит от материала и назначения изделия.

Графики различных комплексов термической обработки представлены на рис. 15.2.

15_files/image004.gif

Рис. 15.2. Режимы термической обработки цементованных изделий

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

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

Для удовлетворения особо высоких требований, предъявляемых к механическим свойствам цементованных деталей, применяют двойную закалку (рис. 15.2 в).

Первая закалка (или нормализация) проводится с температуры 880…900oС для исправления структуры сердцевины.

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

Завершающей операцией термической обработки всегда является низкий отпуск, проводимый при температуре 150…180oС. В результате отпуска в поверхностном слое получают структуру мартенсита отпуска, частично снимаются напряжения.

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

Азотирование

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

Впервые азотирование осуществил Чижевский И.П., промышленное применение – в двадцатые годы.

При азотировании увеличиваются не только твердость и износостойкость, но также повышается 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 высокой твердость, и образующийся слой хрупкий.

Для азотирования используют стали, содержащие алюминий, молибден, хром, титан. Нитриды этих элементов дисперсны и обладают высокой твердостью и термической устойчивостью.

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

Глубина и поверхностная твердость азотированного слоя зависят от ряда факторов, из которых основные: температура азотирования, продолжительность азотирования и состав азотируемой стали.

В зависимости от условий работы деталей различают азотирование:

для повышения поверхностной твердости и износостойкости;

для улучшения коррозионной стойкости (антикоррозионное азотирование).

В первом случае процесс проводят при температуре 500…560oС в течение 24…90 часов, так как 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. Охлаждение проводят вместе с печью в потоке аммиака.

Значительное сокращение времени азотирования достигается при ионном азотировании, когда между 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, продолжительность процесса до 24 часов.

Антикоррозионное азотирование: в жидких средах состава  40% КСNO + 60% NaCN (тенифер-процесс) при температуре 500…560oС 0,5…2 часа, при  этом повышаются усталостная прочность и коррозионная стойкость. Недостатком является  этого способа высокая токсичность и стоимость цианистых солей.

Цианирование  и нитроцементация.

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 тонкого слоя карбонитридов Fe2(C, N), а затем азотистый мартенсит.

По сравнению с цементацией высокотемпературное цианирование происходит с большей скоростью, приводит к меньшей деформации деталей, обеспечивает большую твердость и сопротивление износу.

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

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

Основным недостатком цианирования является ядовитость цианистых солей.

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

Состав газа температура процесса определяют соотношение углерода и азота в цианированном слое. Глубина слоя зависит от температуры и продолжительности выдержки.

Высокотемпературная нитроцементация проводится при температуре 830…950oС, для машиностроительных деталей из углеродистых и малолегированных сталей при повышенном содержании аммиака. Завершающей термической обработкой является закалка с низким отпуском. Твердость достигает 56…62 HRC.

На ВАЗе 95 % деталей подвергаются нитроцементации.

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

Нитроцементация характеризуется безопасностью в работе, низкой стоимостью.

Диффузионная металлизация

Диффузионная металлизация – химико-термическая обработка, при которой поверхность стальных изделий насыщается различными элементами: алюминием, хромом, кремнием, бором и др.

При насыщении хромом процесс называют хромированием, алюминием – алитированием, кремнием – силицированием, бором – борированием.

Диффузионную металлизацию можно проводить в твердых, жидких и газообразных средах.

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

Жидкая диффузионная металлизация проводится погружением детали в расплавленный металл (например, алюминий).

Газовая диффузионная металлизация проводится в газовых средах, являющихся хлоридами различных металлов.

Диффузия металлов протекает очень медленно, так как образуются растворы замещения, поэтому при одинаковых температурах диффузионные слои в десятки и сотни раз тоньше, чем при цементации.

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

Одним из основных свойств металлизированных поверхностей является жаростойкость, поэтому жаростойкие детали для рабочих температур 1000…1200oС изготавливают из простых углеродистых сталей с последующим алитированием, хромированием или силицированием.

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

Контрольные вопросы.

1.Почему при высокотемпературном цианировании  сталь в большей степени насыщается углеродом, а при низкотемпературном - азотом?

2.Преимущества  цианирования по сравнению с цементацией и азотированием.

3. Какие стали  можно цементировать?

4. Почему при азотировании поверхность стали получает  очень высокую твёрдость и износоустойчивость?

5.Преимущества азотирования  по сравнению с цементацией. Недостатки его.

6.Что произойдёт, если при  цементации детали будут касаться друг друга?

7.Выше какой критической точки  ведётся нагрев стали при цементации?

8. Чем объясняется высокая твёрдость  цементированного слоя?

9. В результате каких способов диффузной металлизации  снижается трение?

10. В результате какой обработки можно повысить долговечность  измерительных инструментов?

 

1.Используя диаграмму Fe-Fe3C и зная,  что цементация проводилась при температуре 930 0С, нарисуйте схему изменения структуры  от поверхности к середине после охлаждения детали, если исходное содержание углерода  в стали было 0,2 %, содержание углерода в поверхностном слое 1,0 %.

2. Ответственное изделие было изготовлено из крупнозернистой углеродистой стали с  0,15 % С. Подумайте, какой режим термообработки обеспечит оптимальные свойства  изделия, если цементация проводилась при 950 0С и содержание углерода в поверхностном  слое 0,9 %.

Основные свойства главных породообразующих минералов горных пород

Наименование минерала

Химическая формула

Физико-механические свойства

Группа по химическому составу

Особые свойства

В состав каких горных пород входит

Применение в строительстве

цвет

блеск

твердость

спайность

плотность, кг/м3

прочность на сжатие, МПа

I. МИНЕРАЛЫ МАГМАТИЧЕСКИХ ГОРНЫХ ПОРОД

Кварц

SiO2

бесцветный, молочный, желтый, прозрачный (хрусталь), фиолетовый (аметист), черный (морион)

стеклянный, на изломе жирный

7

весьма несовершенная

2600

до 2000

кварца

Весьма кислото- и щелочестоек, при повышенных температурах в среде насыщенного пара взаимодействует с Са(ОН)2, плавится при 17100С, при быстром охлаждении дает кварцевое стекло.

Гранит, кварцит, порфир, песчаник.

В качестве мелкого заполнителя в тяжелых строительных бетонах и растворах, при производстве строительной керамики, стекла, асфальтобетона и др.

Полевые шпаты

плагиоклаз (кососкалывающийся)

Na[Al Si3O8]-альбит

белый, серый

стеклянный

6 - 6,5

совершенная

2610…

2760

120…

170

алюмосиликатов

Разрушаются под влиянием резких смен температур, под воздействием воды, углекислоты, плавятся при 1170…15500С.

Гранит, диорит, порфир

В качестве цветных песков при производстве отделочных растворов, в производстве керамики, глазурей.

Ca[Al Si2O8] - анортит

серый с оттенками (зеленым, синеватым, красноватым)

стеклянный

6 - 6,5

совершенная

- | | -

Габбро, базальт, диабаз.

Ортоклаз

(прямоскалывающийся)

К[Al Si3O8]

розовый, красный, желтый, серо-розовый

стеклянный

6

совершенная

2500…

2600

150

алюмосиликатов

При раскалывании образует близкие по форме к кубу изделия.

Гранит, сиенит, порфир, гнейс, диорит.

В качестве цветных песков.

Оливин

(Mg,Fe)2 SiО4

оливково-зеленый

стеклянный и жирный

6,5 -7

несовершенная

3200…

4350

__

силика-тов

По сравнению с авгитом и роговой обманкой стойкость против выветривания понижена.

Диабаз, базальт

__

  Продолжение табл. 25

Подпись: 34Наименование минерала

Химическая формула

Физико-механические свойства

Группа по химическому составу

Особые свойства

В состав каких горных пород входит

Применение в строительстве

цвет

блеск

твердость

спайность

плотность, кг/м3

прочность на сжатие, МПа

Слюды:

мусковит

биотит

К Al2[Al Si3O10]

·[ОН]2

белый

стеклянный

2 - 3

весьма совершенная в одном направлении

2700...

3100

__

Водных алюмосиликатов

Обладает высокой прочностью и вязкостью, понижают стойкость породы, ухудшает шлифовку.

Гранит, сиенит, габбро, порфир, и др.

В отделочных работах, при производстве рубероида.

К(Mg,Fe)3 ·

[AlSi3O10]·

[ОН,Fe]2

черный

стеклянный

2 - 3

- | | -

2700…

3000

__

Водных алюмосиликатов

Стойкость ниже, чем у мусковита.

Гранит, сиенит, габбро, порфир, и др

В отделочных работах.

Авгит

(из числа пироксенов)

Роговая обманка (из амфиболов)

Темноокрашенные минералы

Са(Mg,Fe,Al)·

[(Si,Al2)2O6]

Са2 Na (Mg,Fe)4

·(Al,e)[(Si,Al)4ОН]2·[ОН]2

зеленовато-черный, буро-черный

зеленый, бурый с оттенками

стеклянный

стеклянный

5 - 6,5

5,5 - 6

совершенная

совер-шен-ная

3200...

3600

3100…

3300

__

__

железисто-магнезиальных силикатов

алюмо-сили-катов

Придает породе хрупкость, затрудняет полировку, повышает сопротивляемость. Высокая ударная вязкость, повышают стойкость против выветривания.

 __

__

Гранит (в небольшом количестве)

__

__

Подпись: 35Продолжение табл. 25

Наименование минерала

Химическая формула

Физико-механические свойства

Группа по химическому составу

Особые свойства

В состав каких горных пород входит

Применение в строительстве

цвет

блеск

твердость

спайность

плотность, кг/м3

прочность на сжатие, МПа

2. МИНЕРАЛЫ ОСАДОЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

Кальцит

СаСО3

бесцветный, молочно-белый с различными оттенками

стеклянный

3

весьма совершенная

2600…

2800

90…

150

карбонатов

Разрушается под действием кислот, неатмосферостоек, разрушается при действии высоких температур.

Плотные известняки, мрамор, мел.

Производство извести, цемента, побелочных составов, при производстве керамики, для отделочных работ.

Доломит

СаСО3·MgСО3

серо-белый с различными оттенками, иногда прозрачен

стеклянный

3,5 - 4

совершенная

2800…

2900

15…

200

карбонатов

Обладает высокой реакционной способностью к Са(ОН)2, кислотам. Декоративен.

Доломит, плотный известняк, мрамор.

Производство извести, для внутренних отделочных работ.

Опал

SiО2·nН2О

бесцветный, молочно-белый с голубым, желтым, черным оттенками

стеклянный

5 - 6

весьма совершенная

1900…

2500

90…

120

кварца

Обладает высокой реакционной способностью к Са(ОН)2, высокодисперсной и внутренней микропористостью.

Диатомит, трепел, породы вулканического происхождения.

Для изготовления минеральных смешанных вяжущих веществ, в производстве силикатных бетонов

Ангидрит

СаSО4

белый, серый, голубоватый

стеклянный

3 - 3,5

совершенная

2800…

3000

80…

100

сульфатов

Растворяется в кислотах, воде, обладает пониженной морозостойкостью.

Ангидрит

Для приготовления ангидритовых вяжущих (гипсовых) веществ, для внутренней отделки.

Магнезит

MgСО3

бесцветный, белый, серый, желтый

__

3,5 -4,5

__

2900…

3100

90…

150

карбонатов

Обладает декоративными свойствами. Реакционно способен к кислотам.

Магнезит

Для получения магнезиальных вяжущих веществ.

Подпись: 36Продолжение табл. 25

Наименование минерала

Химическая формула

Физико-механические свойства

Группа по химическому составу

Особые свойства

В состав каких горных пород входит

Применение в строительстве

цвет

блеск

твердость

спайность

плотность, кг/м3

прочность на сжатие, МПа

Гипс

СаSО4·2Н2О

белый с различными оттенками

стеклянный, иногда матовый

1,5 - 2

совершенная

2200…

2400

15…80

сульфатов

Сравнительно легко растворяется в воде, кислотах, неатмосферостоек, разрушается при высоких температурах.

Гипс

Для получения гипсовых вяжущих, цементов, смешанных вяжущих.

Каолинит

Аl2O3·2SiO2·

2H2О

белый, иногда цвет зависит от примесей

__

1

__

2600

__

алюмосиликатов

Наличие каолинита в составе горных пород понижает их водо- и морозостойкость. Устойчив в кислой среде.

Глины, известняки, песчаники, доломиты, мел и др.

Получение цемента, строительной керамики, фарфора.

Тальк

Mg3[SiO4O10](OH2)

белый, бледно-зеленый, светло-желтый

жирный

1

весьма совершенная

2700…

2800

__

сульфатов

Достаточно хорошо сопротивляется выветриванию.

Входит в состав тальковых сланцев и известняков в виде плотных листовых масс.

Для получения смазочных материалов.

3. МИНЕРАЛЫ МЕТАМОРФИЧЕСКИХ ГОРНЫХ ПОРОД

Минералогический состав метаморфических горных пород идентичен исходным магматическим и осадочным горным породам


Содержание и задачи курса сопротивление материалов