Відпускна крихкість

Відпускною крихкістю називають окрихчення багатьох конструкційних сталей в певних діапазонах температур відпуску. Схильність відпущених сталей, особливо легованих, до крихкого руйнування найчастіше виявляють графічно, порівнюючи їх ударну в'язкість KCU з відповідною температурою відпуску. Звичайно, підвищення температури відпуску збі­льшує ударну в'язкість. Однак в інтервалі температур відпуску 250...400 °С спостерігається істотний спад значень ударної в'яз­кості, визначених при кімнатній температурі. В інтервалі тем­ператур відпуску 450...600 °С при повільному охолодженні від цих температур ударна в'язкість нижча, ніж при швид­кому охолодженні.

Розрізняють два види відпускної крихкості — неповторюва­на (І роду) й повторювана (ІІ роду).

Неповторювана відпускна крихкість (І роду) спостеріга­ється у легованих, а також вуглецевих сталях, відпущених в інтервалі температур 250...400 °С. Окрихчення сталей пов'язу­ють з неодночасним розпадом мартенситу всередині зерна та на його границях. Розпад мартенситу в пограничних зонах почи­нається з виділення й подальшого відокремлення цементиту. В місцях розпаду виникають концентрації напружень і тому ударна в'язкість сталі після відпуску в інтервалі температур 250...400 °С менша, ніж після відпуску при температурах ниж­чих за 250 °С. Підвищення температури відпуску понад 400 °С або збільшення тривалості нагрівання спричинюють вирівню­вання структури в усьому зерні, внаслідок чого відпускна крих­кість сталі зникає. Повторне (після відпуску понад 400 °С) на­грівання сталі в інтервалі температур окрихчення не зумовлює зниження ударної в'язкості, тобто сталь уже не повертається до крихкого стану.

Повторювану відпускну крихкість (II роду) мають легова­ні сталі, відпущені в інтервалі температур 450...600 °С і охоло­джені повільно. Швидке охолодження у воді від температури високого відпуску зменшує спад ударної в'язкості аж до повно­го його зникнення. Повторювана відпускна крихкість не спо­стерігається у вуглецевих сталях, її найчастіше пов'язують із виділенням на границях колишніх зерен аустеніту шкідливих домішок, особливо фосфору, під час повільного охолодження після високотемпературного відпуску. Цьому сприяють такі широко використовувані легувальні елементи, як хром, марга­нець і нікель, які також мігрують до границь зерен, де хром і марганець утворюють леговані та спеціальні карбіди.

Підвищена концентрація шкідливих домішок поблизу гра­ниць зерен істотно послаблює міжзеренний зв'язок і є однією з причин крихкості. Додавання до легованих сталей в обмеженій кількості молібдену (0,2...0,3 %) або вольфраму (0,5...0,7 %) послаблює відпускну крихкість. Нагрівання попередньо окрихченої сталі до температур понад 600 °С і подальше швидке охолод­ження можуть обмежити або й зовсім зняти відпускну крихкість. Під час цього розподіл фосфору по зерну вирівнюється, а швидке охолодження стримує дифузію. Проте повторний відпуск при тем­пературах 450...600 °С знову призводить до відпускної крихкості. Звідси походить назва — повторювана відпускна крихкість.

Контрольні питання

1 Що таке термічна обробка, її основні параметри?

2 Назвіть основні перетворення, які відбуваються при нагріванні і охолодженні сталі.

3 Які основні структури можуть утворюватися при термічній обробці сталі?

4 Як класифікують основні види термічної обробки?

5 Що таке відпал сталі?

7 Чим відрізняються відпал першого і другого роду?

8 Що таке гартування сталі та які існують види гартування?

9 Що таке загартованість і прогартованість сталі?

10 Що таке внутрішні напруження?

11 Що таке відпуск сталі?

12 Які перетворення відбуваються під час відпуску?

13 Які види відпуску існують?

14 Що таке термомеханічна обробка?

15 Чим відрізняються високотемпературна і низькотемпературна термомеханічні обробки?

ХІМІКО-ТЕРМІЧНА ОБРОБКА СТАЛІ

План заняття:

1 Сутність і призначення хіміко-термічної обробки металів.

2 Процеси,що відбуваються при хіміко-термічній обробці: дисоціація, адсорб­ція, дифузія.

3 Види хіміко-термічної обробки: цементація, азотуван­ня, ціанування та нітроцементація сталі, сутність та призначення.

4 Сталі, які використовують для різних видів хіміко-термічної оброб­ки.

5 Дифузійна металізація, насичення металами і неметалами (алюмінієм, хромом, кремнієм/.

6 Суть та призначення даних процесів

7 Техніка безпеки і протипожежна безпека при хіміко-термічній об­робці сталей та чавунів.

Хіміко-термічною обробкою (ХТО) називають процес змі­ни хімічного складу, мікроструктури та властивостей поверх­невого шару заготовки.

Для зміни хімічного складу заготовку нагрівають у сере­довищі, збагаченому дифузантом (елементом, який насичує), витримують протягом певного часу при заданій температурі, а потім охолоджують. Під час цього відбувається дифузійне збагачення поверхневого шару заготовок неметалами або металами з метою поверхневого зміцнення. ХТО складається із трьох елементарних процесів — дисоціації, адсорбції та дифузії.

Дисоціація — розпад молекул вихідної речовини з утворен­ням активних атомів дифузанту. Його може виділяти газоподіб­не, рідке або тверде середовище.

Адсорбція — захоплення поверхнею тіла активних атомів дифузанту. Притягання забезпечують атоми основного металу, що перебувають на поверхні заготовки й мають зовнішні вільні зв'язки. З підвищенням температури адсорбційна здатність ме­талу зростає. Розвиткові адсорбції сприяє здатність дифузанту утворювати з основним металом заготовки твердий розчин або хімічну сполуку.

Дифузія — переміщення адсорбованих поверхнею атомів ди­фузанту в глибину тіла. В результаті утворюється дифузійний шар, що відрізняється від основного металу хімічним складом, структурою та властивостями. Товщина дифузійного шару за­лежить від температури та тривалості процесу, виду утворюва­ного твердого розчину й концентрації дифузанту на поверхні заготовки. З підвищенням температури й часу витримки (як основних параметрів процесу) товщина дифузійного шару зрос­тає. З утворенням твердих розчинів проникнення (вуглець, азот), швидкість дифузії вища, ніж у випадку твердих розчинів замі­щення (алюміній, хром, кремній). Тому під час насичення ста­лі металами застосовують вищі температури й збільшують три­валість процесу. Зі збільшенням поверхневої концентрації ди­фузанту при незмінній температурі й тривалості процесу росте товщина дифузійного шару. Границі зерен, де завжди є дефекти кристалічної будови, полегшують дифузію, особливо тоді, коли дифузанти утворюють з атомами основного металу обмежені тверді розчини.

ХТО змінює хімічний склад і структуру поверхневого шару, тоді як поверхневе гартування — лише структуру. Тому різни­ця у властивостях поверхні й осердя в деталях після хіміко-термічної обробки більша, ніж у поверхнево загартованих дета­лях. Результати ХТО не залежать від форми деталей, чого не можна сказати про результати гартування СВЧ. Проте поверх­неве гартування продуктивніше.

До найпоширеніших способів ХТО належать цементація, азотування, ціанування, нітроцементація, алітування, силіцію­вання та інші.

Цементація сталі

Цементацією називають процес дифузійного насичення вуг­лецем поверхневого шару сталевих заготовок. Мета цементації в комплексі з подальшою термообробкою — надати поверхні деталі високої твердості та зносостійкості, зберігши в'язке осер­дя. Як правило, цементують сталі з низькою масовою часткою вуглецю в межах від 0,1 до 0,25 %. Перед цементацією заготов­ки попередньо обробляють різанням, залишивши припуск (0,05...0,1 мм) на шліфування.

Після ХТО концентрація вуглецю найвища на поверхні за­готовки (0,8...1,0 %), поступово зменшується в глибину до осе­рдя, доходячи до вихідної концентрації в сталі. За повільного охолодження у дифузійному шарі заготовки формуються три структурні зони: зовнішня заевтектоїдна (С > 0,8 %) з перлітно-цементитною структурою, середня евтектоїдна (С = 0,8 %) з перлітною і внутрішня, що межує з осердям, — доевтектоїдна (С < 0,8 %) з феритно-перлітною структурою.

Ефективною глибиною цементації умовно називають від­стань від поверхні до точки внутрішньої зони, біля якої в струк­турі маємо співвідношення фериту й перліту як 1:1. Очевидно, що ефективна глибина цементації менша від повної її глибини. Значення ефективної глибини лежить в інтервалі від 0,5 до 2 мм. Всі зазначені вище структури грубозернисті через тривалу витримку заготовок при високій температурі.

У заводській практиці застосовують два види цементації — у твердому й газовому насичувачі (карбюризаторі).

Для цементації у твердому карбюризаторі укладають заготовки з певними проміжками в металеву скриньку, на дно якої насипають шар карбюризатора (суміш дрібних шматочків деревного вугілля з 20...25 % ВаС0₃ і 3...5 % Nа₂С0₃). Сіль Nа₂С0₃ запобігає спіканню карбюризатора. Перший ряд заготовок пересипають карбюризатором, після чого кладуть другий ряд, знову пересипають карбюризатором і так, поки не наповнять скриньку. Останній ряд заготовок теж покривають карбю­ризатором. Скриньку накривають покришкою, замащують всі щілини вогнетривкою глиною, щоб не допустити виходу газів, і в печі нагрівають до температури 910...930 °С. Тут вугілля вза­ємодіє з киснем повітря, що залишився у скриньці: 2С + 0₂ → 2СО.

Оскільки ферит практично не розчиняє вуглецю, а аустеніт розчиняє до 2,14 % С, то тем­пература цементації повинна перевищувати точку А_С3

Поверх­невий шар глибиною в 1 мм утворюється у твердому карбюризаторі протягом 8... 10 год.

Отже, цементація у твердому карбюризаторі малопродуктив­на через низьку теплопровідність скриньки з карбюризатором. Тому цей спосіб цементації застосовують лише в дрібносерійному виробництві.

Газова цементація заготовок здійснюється у герметично­му просторі печі, наповненому газовим карбюризатором. Як ка­рбюризатори застосовують природний газ, що складається пе­реважно з СН₄, контрольовану атмосферу, яку отримують поза піччю в спеціальному генераторі, та штучний газ, утворений з рідких вуглеводнів (гас, бензол та ін.), які подають краплями в піч, де вони виділяють переважно СН₄, СО і Н₂.

Метан природного газу розпадається у печі з виділенням атомарного Карбону:

СН₄ → 2Н₂ + С.

Знаючи хімічний склад сталі й регулюючи склад газової суміші, можна керувати насиченням заготовок вуглецем, а та­кож легко автоматизувати процес. Він менш тривалий порівняно з цементацією у твердому карбюризаторі. Тому газову цемента­цію застосовують у великосерійному й масовому виробництвах.

Після цементації здійснюють термічну обробку заготовок — гартування й низькотемпературний відпуск з метою отримання заданих механічних властивостей. Режим термообробки зале­жить від умов експлуатації цементованої деталі та марки сталі, з якої ця деталь виготовлена. Маловідповідальні деталі одноразо­во гартують від температури цементації з подальшим низькотем­пературним відпуском або перед гартуванням охолоджують на повітрі від температури цементації до температури 840...860 °С. Охолодження зменшує залишкові напруження й жолоблення заготовок. Під час гартування отримують грубоголчастий мартен­сит. Вибір спадково дрібнозернистої сталі для виготовлення деталей дає змогу обмежити ріст аустенітного зерна під час цементації й отримати бажану структуру навіть в результаті одноразового гартування.

Коли потрібна висока поверхнева твердість, міцність і удар­на в'язкість, термообробкою формують дрібнозернисту струк­туру і на поверхні деталі, і в осерді, застосовуючи подвійне гартування і низькотемпературний відпуск.

Для першого гартування заготовку, охолоджену після цеме­нтації на повітрі, нагрівають на 30...50 °С вище від температу­ри цементованої сталі, тобто до 850...900 °С. Тоді метал повністю перекристалізовується, утворюючи дрібнозернистий аустеніт. Під час цього в аустеніті поверхневого насиченого шару розчиняється сітка цементиту. Продукти розпаду аустеніту ма­ють теж дрібнозернисту структуру.

Під час другого гартування формується структура поверхне­вого шару, де вміст С ≥ 0,8 %. З огляду на це температура гарту­вання повинна перевищувати критичну точку Ас1 на 30...50 °С і становити 760...780 °С. Під час нагрівання мартенсит, що утво­рився в поверхневому шарі при першому гартуванні, розпада­ється, виділяючи глобулярні карбіди. При температурі нижче А_Сст ці карбіди лише частково розчиняються в аустеніті, а нерозчинені карбіди залишаються у загартованій зовнішній заевтектоїдній зоні поверхневого шару, збільшуючи його твердість.

Низькотемпературний відпуск зменшує залишкові напружен­ня й мало що знижує твердість поверхневого шару. Поверхне­вий шар після подвійного гартування й низькотемпературного відпуску має структуру відпущеного дрібноголчастого мартен­ситу з вкрапленням карбідів глобулярної форми. Ця структура характеризується підвищеною зносостійкістю. У деталях з вуг­лецевої сталі осердя має дрібнозернисту структуру, близьку до сорбітної. Перехід до легованих сталей збільшує прогартованість заготовок й сприяє утворенню в осерді, залежно від кіль­кості легувальних елементів й перерізу заготовки, трооститної, бейнітної структури або структури низьковуглецевого мартен­ситу. З огляду на низький вміст вуглецю осердя вуглецевих, як і легованих сталей, зберігає високу ударну в'язкість.

У поверхневому шарі легованих сталей після термообробки може бути залишковий аустеніт, який знижує твердість. Щоб усунути аустеніт, іноді застосовують обробку холодом, що при­зводить до зменшення ударної в'язкості.

Цементовані сталі після гартування мають у поверхневому шарі великі напруження стиску, які підвищують границю ви­тривалості.

Азотування сталі

Азотуванням називають дифузійне насичення азотом по­верхневого шару сталевих деталей. Мета азотування — істотно підвищити твердість, зносостійкість, границю витривалості й корозійну тривкість.

Деталі азотують після повної механічної й термічної обро­бок в атмосфері аміаку, який подається з балонів у герметичні реторти, де укладені деталі. Реторти нагрівають у печах пере­важно до температури 500...600 С протягом 24...60 год і довше. В результаті поверхневий шар насичується азотом на глибину 0,3...0,6 мм. Переходити до вищих температур не завжди доці­льно, бо коагулюють нітриди, що знижує твердість азотованого шару. Аміак під дією нагрівання розкладається на поверхні деталей на атомарний Нітроґен і Гідроґен. Атомарний Нітроґен адсорбується поверхнею деталі, дифундує в її глибину й утворює нітриди. Нітриди заліза не забезпечують високої твердості поверхневого шару. Тому азотування вугле­цевих сталей не дає належного ефекту. Лише легувальні елеме­нти — хром, молібден, ванадій, титан утворюють дисперсні, тверді й термічно тривкі нітриди, що надають дуже високої поверхневої твердості спеціальним комплексно легованим ста­лям — нітралоям. Хром, ванадій і алюміній у сталі 38Х2МЮА дають змогу отримати внаслідок азотування твердість до 1200 НV. Окрім цього, азотують також сталі 38Х2Ю, 35ХМА, 30ХГТ, що містять хром, марганець, титан, і 36ХНТМФА з вмістом хрому, нікелю, молібдену, ванадію.

Азотований шар, сформований під час насичення, не вима­гає додаткової термічної обробки як у випадку цементації. Гли­бина азотованого шару залежить від температури й тривалості процесу, а також від хімічного складу сталі. Зі збільшенням температури й тривалості азотування глибина азотованого шару зростає. Зважаючи на порівняно низьку температуру процесу, швидкість азотування на порядок менша за швидкість цемен­тації. Збільшення сумарної масової частки легувальних елемен­тів спричинює зменшення глибини азотованого шару.

Існує два різновиди азотування — для підвищення поверх­невої твердості й зносостійкості та для підвищення корозійної тривкості.

Щоб підвищити поверхневу твердість й зносостійкість, про­цес проводять одноступінчасто при температурі 500...520 °С, а для пришвидшення процесу інколи вдаються до двоступінчас­того азотування — спочатку при температурі 500...520 °С, а зго­дом при 560...600 °С, що скорочує тривалість процесу без помі­тного зменшення твердості.

Осердя азотованих деталей повинно мати підвищену міц­ність і пластичність, з огляду на що їх попередньо гартують і відпускають при температурі 600...675 С, вищій за температу­ру азотування. Тому структура сорбіту, що утворилась в проце­сі термообробки, не змінюється під час азотування. Заготовки зі структурою сорбіту можна обробляти лезовим інструментом і наприкінці шліфувати. Підвищена міцність серцевини запобі­гає проламуванню тонкого й крихкого азотованого шару під дією високого тиску. В азотованому шарі з'являються високі залишко­ві стискальні напруження, що підвищує границю витривалості і гладких, і надрізаних деталей. Азотування застосовують рід­ше, ніж цементацію, для таких відповідальних виробів як вимір­ний інструмент, гільзи циліндрів двигунів і насосів, зубчасті ко­леса, колінчасті вали, прес-форми для лиття під тиском, штампи.

Щоб підвищити корозійну тривкість, леговані та вуглецеві сталі азотують при температурі 650...700 °С. Висока температура дає змогу скоротити процес до декількох годин. Тут не потрібна вели­ка глибина азотування, а твердість не має істотного значення.

Переваги азотування порівняно з цементацією:

— вища твердість і зносостійкість поверхневого шару;

— перелічені властивості зберігаються до температур 450...500 °С проти 200...225 °С у випадку цементації.

Недоліки:

— значна тривалість процесу;

— висока вартість застосовуваних для азотування легова­них сталей — нітралоїв.

Ціанування і нітроцементація

Ціанування — це одночасне дифузійне насичення вуглецем і азотом поверхневого шару сталевих деталей (заготовок) у роз­плавленій ціанистій солі, а нітроцементація — насичення їх в газовому середовищі. Мета ціанування й нітроцементації — підвищення твердості, зносостійкості та втомної міцності деталей.

Одночасне насичення вуглецем і азотом відбувається швид­ше, ніж послідовне насичення кожним з цих елементів окремо. Співвідношення вуглецю й азоту в насичуваному шарі регулю­ють, змінюючи склад середовища й температуру процесу. Що нижча температура, то більше насичення поверхневого шару азотом і менше вуглецем.

Розрізняють ціанування низькотемпературне (540...560 °С), що за результатами наближається до азотування, і високотем­пературне (820...950 °С), що наближається до цементації.

Під час низькотемпературного ціанування поверхневий шар насичується переважно азотом. Низькотемпературне ціануван­ня виконують після гартування і високотемпературного відпус­ку виробів. Такими виробами можуть бути загострені інструме­нти із швидкорізальних сталей для випадків, що вимагають підвищення зносостійкості та теплостійкості. Протягом 0.5...3 год насичення на поверхні інструменту виникає карбонітридний шар завтовшки 0,01...0,03 мм з твердістю за Віккерсом до 1 000 НУ.

Високотемпературне ціанування супроводжується насичен­ням сталі переважно вуглецем (до 0,6...1,2 %) і меншою мірою азотом (0,2...0,6 %). Товщина поверхневого насиченого шару становить 0,15...2,0 мм. Деталі після високотемпературного ці­анування гартують з подальшим низькотемпературним відпус­ком. Якщо температура ванни з ціанистою сіллю не перевищу­вала 850 °С, то гартують відразу з ванни, а в протилежному випадку деталі перед гартуванням охолоджують. Під час наси­чення й термообробки формується мікроструктура зміцненого шару: на поверхні є тонкий шар карбонітридів Fе₂(С,N), Fе₃(С,N), а під ними — азотистий мартенсит. Твердість за Роквеллом зміц­неного шару 58...62 НRС. При температурі 820...860 °С протя­гом 1 год отримують поверхневий шар завтовшки близько 0,3 мм. За однакової твердості з цементованим ціановий шар зносостій­кіший. Ціанування порівняно з цементацією характеризується меншим жолобленням деталей складної форми і меншою три­валістю.

Недоліком ціанування є висока вартість ціанистих солей і їх отруйність, що вимагає спеціальних заходів для охорони праці й довкілля. Перелічених недоліків позбавлена нітроцементація.

Нітроцементацію здійснюють у суміші газу, яким навуглецьовують, й аміаку при температурі 850...870 °С протягом 2... 10 год. ї широко застосовують в автомобільній промисловості для по­верхневого зміцнення зубчастих коліс і валів, виготовлених із хромистих і хромомарганцевих сталей. Після насичення деталі гартують і піддають низькотемпературному відпуску. Коли ба­гато залишкового аустеніту, деталі після гартування обробля­ють холодом. Порівняно з ціануванням нітроцементація дешев­ша й безпечніша.

Ціанування відбувається у ванні з розплавленою ціанистою сіллю,

Дифузійна металізація

Дифузійна металізація — дифузійне насичення поверхне­вих шарів переважно сталевих виробів різними металами при високій температурі. Дифузійна металізація зумовлює підви­щення корозійної тривкості, жаро- й зносостійкості.

Метали утворюють із залізом тверді розчини заміщення і тому повільніше за неметали дифундують в глибину виробу. Щоб скоротити тривалість насичення металами, процес прово­дять при підвищених температурах.

Дифузійну металізацію виконують у твердому, рідкому й газоподібному дифузантах.

У разі використання твердого дифузанта вироби пакують у контейнер, куди додають порошок із дифузанта або його феро­сплаву, нейтральний порошок (глинозем, шамот), що запобігає спіканню, і хлористий амоній NH₄Сl. Під час нагрівання в кон­тейнері відбуваються реакції розпаду NH₄Сl з виділенням НСl. Останній утворює з дифузантом газоподібний хлорид, який ви­діляє на поверхні виробу атоми металу.

Зупинимось на металізації алюмінієм і хромом.

Дифузійне насичення виробів алюмінієм з метою підвищен­ня жаростійкості називають алітуванням. Алітують сталі з 0,1...0,2 % С найчастіше в порошковій суміші з фероалюмінію, хлористого амонію й оксиду алюмінію при температурі 950... 1150 °С протягом 3...12 год. В результаті утворюється дифузійний шар завтовшки 0,2...0,5 мм. За наявності кисню на поверхні алітованого виробу формується щільна плівка оксиду алюмінію А1₂0₃, яка захищає виріб від взаємодії з середовищем до темпе­ратури 900 °С.

Під час рідинного алітування вироби занурюють у розплав­лений алюміній й витримують там протягом 45...90 хв при тем­пературі 750...800 °С. В результаті отримують дифузійний шар завтовшки 0,2...0,35 мм. Алітують чохли термопар, клапани та інші деталі, що працюють при підвищених температурах.

Хромування — дифузійне насичення хромом поверхонь переважно сталевих виробів з метою підвищення до 800 °С жаростійкості, корозійної тривкості (у воді, морській воді й азотній кислоті) та поверхневої твердості. Хромують при тем­пературі 1000...1050 °С протягом 6...12 год. Глибина дифузій­ного шару 0,2...0,25 мм. Найчастіше насичують у порошкових сумішах із ферохрому (або хрому), хлористого амонію й окси­ду алюмінію. Постачальником активних атомів Алюмінію до насичуваної поверхні є газ — хлорид алюмінію А1С1₃. Підви­щенню поверхневої твердості до 1200...1300 НV сприяє вуглець у сталі в кількості понад 0,3 % Хромують вироби, що працюють в агресивних середови­щах в умовах спрацювання (пароводяна арматура, клапани, патрубки).

Дата добавления: 2014-01-04