Лабораторна робота №3 Мікроскопічне дослідження структури цементованих деталей
1 МЕТА ЗАНЯТТЯ
1.1 Ознайомитися з процесами цементації.
1.2 Дослідити мікроструктуру цементованого шару.
1.3 Навчитись визначати товщину цементованого шару.
2 ОБЛАДНАННЯ ТА ІНСТРУМЕНТИ
2.1 Зразки цементованих сталей.
2.2 Металографічний мікроскоп ММР-4.
2.3 Хімічні реактиви для визначення товщини цементованого шару.
2.4 Лупа та мікроскоп Брінеля.
3 ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ПОЛОЖЕННЯ
Цементацією (навуглецюванням) називається хіміко-термічна обробка, що полягає в дифузійному насиченні вуглецем поверхневого шару деталі шляхом нагріву її без доступу повітря в вуглецевмісному середовищі (карбюризаторі). Як правило, цементацію проводять при температурах вище точки АС3 з витримкою при цій температурі протягом певного часу, залежного від необхідної товщини цементованого шару і марки цементованої сталі.
Найбільшого поширення набула цементація в твердому (деревне вугілля) і газоподібному (природний газ, метан і ін.) середовищах. Навуглецювання здійснюється атомарним вуглецем, що виділяється при дисоціації оксиду вуглецю або інших вуглеводнів, наприклад, по наступних реакціях:
(3.1)
.
(3.1)
Атомарний вуглець, взаємодіючи з нагрітою до аустенітного стану сталі, дифундує в глибину поверхневого шару і розчиняється в γ - залізі. Оскільки γ - залізо володіє здатністю розчиняти значну кількість вуглецю (до 2,0 %), цементація проводиться при температурі вище АС3 (920 - 950 °C). Масова доля вуглецю в поверхневому шарі визначається межею розчинності вуглецю в аустеніті (тобто лінією SE діаграми Fe - Fe3C) (рисунок 3.1 а). При температурі цементації дифузійний шар складається лише з аустеніту, а після повільного охолоджування - з продуктів його розпаду: фериту і цементиту. Концентрація вуглецю при цьому зазвичай не досягає межі насичення (Cmax) при даній температурі.
Цементований шар має змінну концентрацію вуглецю по глибині, що зменшується від поверхні до серцевини деталі (рисунок 3.1 б). У зв’язку з цим після повільного охолоджування в структурі цементованого шару можна розрізнити (від поверхні до серцевини) три зони:
(1) заевтектоїдну, таку, що складається з перліту і вторинного цементиту, останній утворює сітку по колишньому зерну аустеніту;
(2) евтектоїдну, таку, що складається з пластинчастого перліту;
(3) доевтектоїдну, яка складається з перліту і фериту (рисунок 3.1 в). Ближче до серцевини виробу вміст вуглецю знижується, а, отже, в структурі сталі зменшується кількість перліту і збільшується кількість фериту.
Поверхневий шар має кращі властивості при вмісті вуглецю в межах 0,9…1,1 %. При вищому вмісті вуглецю він стає надмірно крихким, при меншому вмісті висока твердість після гартування не досягається.
Розрізняють повну і ефективну товщину цементованого шару. Під повною товщиною розуміють всю товщину, в межах якої вміст вуглецю зменшується від максимального на поверхні до початкового в серцевині.
Практичне значення має ефективна (технічна) товщина, за яку приймають відстань в мм від поверхні до того місця, в якому масова доля вуглецю дорівнює 0,4 %. На замальованій схемі структурних зон ефективній товщині цементованого шару відповідає відстань від поверхні до місця, в якому структура складається з 50 % перліту і 50 % фериту і що має твердість після термообробки HRC 50. Ефективна товщина цементованого шару зазвичай складає 0,5…1,8 мм.
Цементацією досягається лише вигідний розподіл вуглецю по перетину деталі. Остаточних властивостей цементовані деталі набувають у результаті термічної обробки, що складається з гартування і низького відпускання. Структура цементованого шару, що складається з мілкоголчастого мартенситу відпускання, повинна забезпечувати поверхневу твердість HRC 59…62.
Призначення цементації і подальшої термічної обробки - надання поверхневому шару високої твердості і зносостійкості при збереженні в’язкої серцевини, що забезпечує високу стійкість до динамічних навантажень. Цементації піддають деталі, виготовлені з низьковуглецевої (0,1…0,25 %), частіше легованої сталі, такі як шестерні, поршневі пальці, шийки валів і осей, вимірювальний інструмент і ін. Вибір таких сталей обумовлена тим, щоби серцевина виробу, не насичуючись вуглецем при цементації, зберігала високу в’язкість після гартування.
|
|
Рисунок 3.1 – Фрагмент діаграми стану Fe-Fe3C (а); зміна концентрації вуглецю і твердості після гартування (б); схематична структура після повільного охолодження цементованого шару (в) |
|
4 ВИЗНАЧЕННЯ ТОВЩИНИ ЦЕМЕНТОВАННОГО ШАРУ
Товщину цементованого шару визначають з допомогою макро- і мікроаналізу, а також виміром твердості. Макроаналіз дозволяє швидко визначити товщину з точністю, достатньою для виробничих умов. Для цього цементований зразок занурюють на 1…2 хв. в реактив складу: 2 г CuCl2·2H2O і 1 мл HCl на 100 мл спирту. М’яка нецементована серцевина покривається червоним нальотом міді, а навуглецьований шар не змінюється. Товщина шару вимірюється за допомогою лупи або мікроскопа Брінеля.
Цементований шар можна також виявити розчином гіпосульфіту на шліфованій поверхні металу. В результаті цієї взаємодії зерна фериту покриваються темною плівкою сірчистого заліза, а високовуглецева цементована смуга залишається світлою.
5 ПОРЯДОК ПРОВЕДЕННЯ РОБОТИ
5.1 Отримати зразки цементованих сталей без термообробки та після термообробки.
5.2 Вивчити мікроструктуру цементованих сталей на зразках-мікрошліфах. Зарисувати схему будови шарів; описати структурні складові.
5.3 Визначити товщину цементованого шару за допомогою макроаналізу, описаного у розділі 4.
5.4 Зробити висновки по роботі.
6 КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ
6.1 Що називається цементацією?
6.2 Для чого застосовується цементація?
6.3 Які сталі піддають цементації?
6.4 У якому середовищі проводять навуглецювання?
6.5 Чому цементація проводиться при температурі вище AC3?
6.6 Які зони розрізняються в структурі цементованого шару?
6.7 Який оптимальний вміст вуглецю в поверхневому шарі цементованої сталі?
6.8 Що називається ефективною товщиною цементованого шару?
6.9 Яка термічна обробка проводиться після цементації і її призначення.
7 РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА [1, 3, 6, 7]