Lab

угля с углекислыми солями (обычно до 20-25 % BaCO3). Цементуемые детали упаковывают попеременно с карбюризатором в контейнер (стальной ящик) и нагревают в печи до 910-930 ºС. При нагреве уголь взаимодействует с кислородом воздуха, имеющимся между частичками карбюризатора:

2С + 02 = 2СО

На поверхности деталей протекает реакция диспропорционирования:

2СО СО2 + С

Выделившийся активный углерод адсорбируется поверхностью деталей, а СО2 (в том числе образовавшийся при термическом разложении углекислых солей) взаимодействует с углем, образуя новые порции СО. Скорость цементации в твердых карбюризаторах составляет 0,1-0,15 мм.

В качестве газового карбюризатора используют получаемые в специальных генераторах контролируемые атмосферы, содержащие в определенном соотношении предельные углеводороды и некоторое количество окиси углерода.

Применяют также жидкие углеводороды (керосин, бензол и др.), каплями подаваемые в герметичное печное пространство.

Газовая цементация - более совершенный метод, чем цементация в твёрдых карбюризаторах. Она протекает значительно быстрее, так как исключается время на прогрев и охлаждение массивных контейнеров с малотеплопроводным карбюризатором. Для получения цементованного слоя 1,5 мм при газовой цементации достаточно 2-3 часов. Применяют газовую цементацию, главным образом, на заводах массового и крупносерийного производства.

Схема микроструктуры диффузионного слоя цементованной низкоуглеродистой стали представлена, в сопоставлении с диаграммой железоуглерод, на рисунке 9.1.

Часть слоя, прилежащая к поверхности детали и имеющая концентрацию углерода больше 0,8 %, имеет структуру заэвтектоидной стали: перлит, окруженный сеткой вторичного цементита. Средняя часть слоя, имеющая концентрацию, близкую к эвтектоидному, состоит из перлита. Далее вглубь слоя структура становится доэвтектоидной.

Различают полную и эффективную толщину цементованного слоя. Эффективная толщина соответствует сумме заэвтектоидной, эвтектоидной и половине доэвтектоидной зоны. Обычно она равна 0,5-1,8 мм и в исключительных случаях, при больших контактных нагрузках на цементованную поверхность, может достигать 6 мм. При заданной температуре толщина слоя определяется длительностью цементации. Обычно содержание углерода в поверхностном слое составляет от 0,8 до 1,1 %.

105

Окончательной операцией термической обработки является низкий отпуск, проводимый при температуре 160-200 °С.

Детали менее ответственного назначения могут подвергаться более простой термической обработке, состоящей из одной закалки и низкого отпуска.

После цементации природно-мелкозернистой стали и содержании углерода в поверхностном слое около 0,8 % однократная закалка дает вполне удовлетворительные свойства, как в сердцевине, так и в цементованном слое деталей. При цементации таких сталей в газовом карбюризаторе целесообразно закалку вести непосредственно с цементационного нагрева.

Структура сердцевины зависит от легированности стали. В деталях из нелегированной стали сердцевина после термообработки состоит из феррит- но-перлитной смеси или из сорбита. В изделиях из легированных сталей сердцевина в зависимости от количества легирующих элементов может состоять из троостита, бейнита или низкоуглеродистого мартенсита.

Во всех случаях из-за низкого содержания углерода сердцевина имеет достаточную вязкость.

9.3 Приборы и оборудование

При выполнении лабораторной работы используются: 1) металлографический микроскоп ММУ-3 или МИМ-7;

2)твердомеры ТП и ТК-2;

3)шлифовально-полировальный станок "НЕРИС";

4)электропечь муфельная с приборами теплового контроля;

5)закалочная ёмкость с водой.

9.4 Порядок выполнения работы

9.4.1Ознакомьтесь со всеми разделами руководства.

9.4.2Изучите влияние термической обработки на твердость сердцевины и поверхностного слоя цементованной стали. Для этого:

I) получите у лаборанта образцы цементованной и нецементованной стали одной и той же марки;

2) на шлифовальном диске станка "НЕРИС" подготовьте поверхность образцов для измерения твёрдости;

3) измерьте твёрдость каждого из образцов на твердомере типа ТП по методу Бринелля. Результаты измерения твердости занесите в таблицу (тип таблицы представлен таблицей 9.1). Следует иметь в виду, что при небольших размерах образцов нецементованный образец по своим свойствам примерно соответствует сердцевине цементованного образца;

107

Таблица 9.1 - Твёрдость цементованных образцов до и после термообработки

4) проведите закалку каждого из образцов. Температура нагрева под закалку – 820 °С. Охлаждаемая среда - вода. Время выдержки образцов в электропечи определите по таблице 9.2;

Таблица 9.2 - Ориентировочные нормы нагрева стали при термической обработке в лабораторных электрических печах

5)на шлифовальном диске станка "НЕРИС" подготовьте поверхность закаленных образцов для измерения твёрдости;

6)измерьте твердость образцов на приборе ТК-2 (индентор - алмазный конус, нагрузка - 150 кг). Полученную твердость HRC переведите по таблице «Соотношение между числами твёрдости HRC, HRA, НВ, HV в твёрдость по Бринеллю». Результаты занесите в таблицу 9.1

9.4.3. Изучите структуру диффузионного слоя цементованных образцов до термообработки и после нее.

Для этого:

1)получите у лаборанта микрошлифы цементованной стали после термической обработки и без нее;

2)просмотрите структуру диффузионного слоя каждого из образцов с

108

помощью металлографического микроскопа. Определите какие структурные составляющие входят в состав слоя. Оцените как изменилась структура после термической обработки.

В связи с тем, что одновременно просматриваемый под микроскопом участок, как правило, меньше толщины диффузионного слоя, слой следует рассматривать последовательно, перемещая образец под (над) объективом микроскопа, одновременно корректируя фокусировку.

3) Зарисуйте структуру диффузионного слоя до термической обработки и после нее. Укажите какими составляющими представлены структуры.

9.5 Содержание отчета

9.5.1Цель работы.

9.5.2Краткое описание назначения и технологии цементации стали.

9.5.3Рисунки структур диффузионного слоя до и после термической

обработки.

9.5.4Таблица с результатами измерения твёрдости в соответствии с разделом 9.4.2.

9.5.5Выводы по проделанной работе.

9.6 Контрольные вопросы

9.6.1Каково назначение цементации стали?

9.6.2Как можно увеличить толщину диффузионного слоя при цемента-

ции стали?

9.6.3Какова структура диффузионного слоя, полученного в результате цементации стали?

9.6.4Какая термическая обработка проводится после цементации ста-

ли?

9.6.5Чем отличается мартенсит, полученный после закалки цементированного изделия, в сердцевинных участках от мартенсита в наружных слоях образца?

9.6.6Каким образом можно увеличить концентрацию углерода в поверхностном слое изделия при цементации?

109

10 Лабораторная работа № 10

Изучение структуры и свойств легированных сталей

10.1 Цель работы

10.1.1Ознакомиться с основами легирования. Изучить влияние легирующих элементов на структуру и свойства легированных сталей.

10.1.2Изучить маркировку и классификацию легированных сталей, научиться по марке стали определять ее химический состав.

10.1.3Приобретение навыков анализа микроструктур легированных

сталей.

10.2 Основные сведения

Легированными называют стали, в которые для изменения структуры и свойств, кроме углерода, вводят легирующие элементы. Основными легирующими элементами являются: хром, никель, вольфрам, кобальт, титан, ванадий, цирконий и другие, а также марганец и кремний при их повышенном, против обычного, содержании. В легированных сталях, также как и в конструкционных сталях, содержатся постоянные примеси: марганец, кремний, фосфор, сера и другие.

Легирование применяется в двух основных направлениях:

1)для повышения технологичности термической обработки конструкционных и инструментальных сталей (закаливаемость в масле, прокаливаемость и др.);

2)для получения сталей особого назначения, обладающих тем или иным комплексом специальных характеристик (коррозионной стойкостью, жаропрочностью, особыми магнитными свойствами и т.д.).

10.3Влияние легирующих элементов на свойства стали

Преимущества легированных сталей, а также характерные для них специальные свойства проявляются только после соответствующей термической обработки. Поэтому из легированных сталей изготовляют детали, обязательно подвергаемые термической обработке. Улучшение механических свойств обусловлено влиянием легирующих элементов на свойства феррита, дисперсность карбидной фазы, устойчивость мартенсита при отпуске, прокаливаемость, размер зерна.

Для достижения высокой прокаливаемости сталь чаще легируют более дешевыми элементами - марганцем, хромом, бором, а также более дорогими и дефицитными - никелем и молибденом.

Хром (вводят в количестве до 2 %) растворяется в феррите и цементите, оказывая благоприятное влияние на механические свойства, что предопределило его широкое применение. Способствует получению высокой

110

и равномерной твердости, повышает жаропрочность, жаростойкость, коррозионную стойкость.

Никель (вводят в количестве от I % до 5 %) наиболее резко снижает порог хладноломкости и увеличивает сопротивление распространению трещины, увеличивая пластичность и вязкость. Кроме того, никель повышает электросопротивление.

Марганец (вводят в количестве до 1,5 %) заметно повышает предел текучести стали, однако делает сталь чувствительной к перегреву, содействует росту зерна. Содержание в стали хрома или марганца до 1 % практически не влияет на порог хладноломкости. Однако при больших их концентрациях порог хладноломкости повышается. Вместе с марганцем вводят карбидообразующие элементы для измельчения зерна.

Кремний (количество ограничивают 2 %) сильно повышает предел текучести, несколько затрудняет разупрочнение стали при отпуске; снижает вязкость и повышает порог хладноломкости при содержании свыше 1 %.

Вольфрам и молибден - дорогие и дефицитные карбидообразующие элементы, которые большей частью растворяются в феррите. Вольфрам (0,8- 1,2 %) уменьшает величину зерна, повышает твердость и прочность, улучшает режущие свойства при повышенных температурах.

Молибден (0,2-0,4 %) действует также, как и вольфрам, повышает статическую, динамическую и усталостную прочность стали, а также повышает коррозионную стойкость.

Легирование стали в небольших количествах (от 0,05 до 0,15 %) ванадием, титаном, ниобием и цирконием, образующих труднорастворимые в аустените карбиды, измельчает зерно, что понижает порог хладноломкости.

Бор в микродозах (0,002-0,005 %) вводят для увеличения прокаливаемости. Так как он оказывает существенное влияние на свойства стали, то он записывается в маркировку стали (например, 20ХГР содержит 0,001-0,005 % бора).

10.4 Маркировка легированных сталей

Маркировка легированных сталей состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав. В соответствии со стандартной маркировкой основные легирующие элементы обозначаются буквами: А - азот, Б - ниобий, В - вольфрам, Г - марганец, Д - медь, Е - селен, К - кобальт, Н - никель, М - молибден, П - фосфор, Р – бор; С - кремний, Т - титан, Ф - ванадий, Х - хром, Ц - цирконий, Ч - редкоземельные элементы, Ю – алюминий.

В конструкционных сталях две цифры в начале марки обозначают содержание углерода в сотых долях процента (например, в стали 3ОХН3А около 0,30 % углерода); в высокоуглеродистых инструментальных сталях - в десятых долях процента (сталь 9ХС - 0,9 % углерода). Если сталь имеет 1,0 % углерода и выше, то цифра, характеризующая содержание углерода, опускается (сталь Х12М). Цифры, идущие после буквы, указывают на примерное

111

содержание данного легирующего элемента. При содержании элемента менее 1,0-1,5 % цифра отсутствует (например, сталь ХВГ), за исключением бора и ванадия.

Быстрорежущие стали принято маркировать буквой Р, после которой идет цифра, указывающая на содержание главного легирующего элемента таких сталей - вольфрама в процентах (например, Р9), среднее содержание кобальта обозначают цифрой после буквы К, ванадия - после буквы Ф

(Р6К5Ф2) и т.д.

В шарикоподшипниковых сталях вначале маркировки стоит буква Ш, а содержание хрома указывается в десятых долях процента (ШХ15).

Автоматные стали маркируют буквой А, после которой следует цифра, указывающая среднее содержание углерода в сотых долях процента, при повышенном содержании в стали марганца в конце марки добавляется буква Г (А40Г).

Допускаются нестандартные обозначения легированных сталей и сплавов, в частности, опытные марки стали, выплавляемые на заводе «Электросталь» обозначаются «Э» и буквами «И» - исследовательская, «П» – пробная и порядковым номером, например ЭИ612, ЭП658.

Примеры обозначения и расшифровки некоторых марок сталей:

1)40ХГТР - сталь конструкционная низколегированная, качественная,

содержит 0,38-0,45 % углерода; 0,8-1,1 % хрома; 0,7-1,0 % марганца, 0,03 – 0,09 титана, остальное - железо и технологические примеси.

2)ХВГ - сталь инструментальная низколегированная, содержит 0,9- 1,05 % углерода; 0,9-1,2 % хрома; 1,2-1,6 % вольфрама; 0,8-1,1 % марган-

ца, остальное - железо и технологические примеси.

3)ШХ15СГ - сталь шарикоподшипниковая, качественная, содержит

0,95-1,05 % углерода; 1,3-1,65 % хрома; 0,4-0,65 % кремния; 0,9-1,2 %

марганца, остальное - железо и технологические примеси.

4)Р6М5 - сталь быстрорежущая, инструментальная, качественная, содержит около 1 % углерода, 3,8 – 4,4 % хрома, 5,5 – 6,6 % вольфрама, 5,0 – 5,5 % молибдена, 1,7 – 2,1 % V, остальное - железо и технологические примеси.

10.5 Классификация легированных сталей

Легированные стали классифицируют по химическому составу, по назначению и структуре.

В зависимости от наличия тех или иных легирующих элементов стали подразделяются на хромистые, хромоникелевые, хромоникельвольфрамовые, марганцовистые, кремнистые и многие другие. По количеству введенных элементов их подразделяют на низколегированные, среднелегированные, высоколегированные.

Стали, в которых суммарное содержание легирующих элементов не превышает 2,5 % , относятся к низколегированным, содержащие 2,5-10 % - к легированным, более 10 % - к высоколегированным.

112

По назначению легированные стали подразделяются на группы:

1)конструкционные: строительные низколегированные, цементуемые, улучшаемые (среднеуглеродистые, 0,3-0,5 % углерода, подвергаемые закалке и отпуску), высокопрочные, шарикоподшипниковые, рессорно-пружинные и другие;

2)инструментальные: для режущих инструментов, для измерительных инструментов, штамповые;

3)стали и сплавы с особыми свойствами: нержавеющие, жаростойкие, жаропрочные, с особыми магнитными и электрическими свойствами и т.д.

Легированные стали классифицируют по структуре в равновесном (отожженном) состоянии и по структуре в нормализованном состоянии. По структуре в равновесном состоянии стали с определенной степенью условности подразделяются на следующие классы: перлитный, лебедуритный (карбидный), ферритный, аустенитный и феррито-аустенитный. Классификация сталей в нормализованном состоянии производится по структуре образцов небольшого сечения, охлажденных после нагрева выше критических точек на воздухе. В основу такой классификации положено влияние легирующих элементов на диаграмму изотермического распада переохлажденного аустенита и температуру начала и конца мартенситного превращения.

По структуре в нормализованном состоянии стали подразделяются на классы - перлитный, мартенситный и аустенитный. Кроме того, могут быть стали аустенитно-мартенситного (переходного), мартенситоферритного класса и другие.

Перлитные стали после отжига содержат в структуре или только перлит или, кроме него, еще феррит (доэвтектоидные стали) или вторичные карбиды (заэвтектоидные стали). Стали перлитного класса содержат сравнительно небольшое количество легирующих элементов.

В перлитных низколегированных сталях после нормализации получается структура перлитного типа (перлит, сорбит, троостит) с возможными включениями феррита у доэвтектоидных и цементита у заэвтектоидных сталей. К перлитному классу относится большинство марок конструкционных (20Х, 30ХГСА, ШХ15 и др.) и инструментальных сталей (9ХС, ХВГ и др.).

При содержании легирующих элементов примерно 4-10 % С - образные кривые на диаграмме распада аустенита сдвигаются вправо настолько, что после нормализации структура стали получается преимущественно мартенситная. Поэтому такие среднелегированные стали относятся к мартенситному классу.

Сталями мартенситного класса являются некоторые конструкционные (18Х244ВА, 38ХНЗМФА и др.), хромистые нержавеющие (30X13, 20X13 и др.), жаропрочные (15Х11МФ, 40Х9С2) и другие стали.

Легированные стали перлитного класса в отличие от простых углеродистых выгодно отличаются тем, что для получения мартенситной

113

структуры могут закаливаться в масле, тогда как углеродистые стали должны закаливаться в воде. Резкое охлаждение при закалке углеродистых сталей ведет к короблению деталей.

Самыми лучшими в этом отношении являются стали мартенситного класса. В них мартенсит образуется при закалке на воздухе. Коробление

вэтом случае наименьшее. Кроме того, с увеличением содержания легирующих элементов увеличивается прокаливаемость, что позволяет производить упрочнение путем закалки и отпуска изделий больших сечений.

Упростых углеродистых сталей прокаливаемость очень низкая, так для стали У10 прокаливаемость составляет примерно 10 мм; у легированных сталей перлитного класса прокаливаемость умеренная, а у сталей мартенситного класса - большая.

Как указывалось выше, стали мартенситного и перлитного классов

вравновесном состоянии могут быть доэвтектоидными, эвтектоидными и заэвтектоидными в зависимости от содержания углерода. Однако в связи с тем, что все легирующие элементы сдвигают влево точку S (указывающую содержание углерода в эвтектоиде) и точку E (указывающую максимальную растворимость углерода в аустените) диаграммы "Железо-угле- род", эвтектоидная концентрация у легированных сталей всегда меньше, чем 0,8 %. Поэтому у отожженных доэвтектоидных легированных сталей, при равном с углеродистыми сталями содержании углерода, площадь, занятая перлитом на микрошлифе, оказывается всегда больше, чем у углеродистых.

Ледебуритные стали - это инструментальные стали с высоким содержанием углерода и карбидообразующих элементов (Cr, W, Mo и др.), например, Р9, Х12М. После литья структура таких сталей состоит из ледебурита, перлита и вторичных карбидов. При ковке крупные ледебуритные (первичные) карбиды раздробляются на более мелкие.

В отожженном после ковки состоянии структура стали состоит из сорбитообразного перлита, первичных (более крупных) и вторичных (более мелких) карбидов, общее количество которых может достигать 3035 %. Поэтому стали иногда называют карбидными.

В нормализованном состоянии многие ледебуритные стали являются сталями мартенситного класса или сталями перлитного класса. Однако на практике классификация по структуре в нормализованном состоянии для ледебуритных сталей используется редко.

10.6 Взаимодействие легирующих элементов с углеродом и железом

Структура высоколегированных сталей зависит от типа легирующих элементов, их количественного соотношения между собой и содержания углерода в стали.

Легирующие элементы по взаимодействию с углеродом разделяются на некарбидообразующие Ni, Со, Si, В, Al и другие, карбидообразующие Mn, Cr, Mo, W, V, Nb, Zr, Ti (элементы перечислены в порядке воз-

114