microbik.ru
1



Белякова А. Ф.

Лабораторные работы по ХТО.
Оглавление
A. Введение…………………………………………………………………………………

| Лабораторная работа № 1. Цементация стали. – 4 ч…………………………………. 2

Лабораторная работа № 2. Азотирование стали. – 2ч………………………………. . 3

Лабораторная работа № 3. Цианирование (нитроцементация) стали. – 4 ч…………4

Лабораторная работа № 4. Борирование стали. – 4 ч…………………………………5

|| Лабораторная работа (практическое занятие) № 5.

Диффузионное хромирование стали – 4 ч………………6

Лабораторная работа (практическое занятие) № 6.

Диффузионное силицирование стальных и чугунных

деталей – 4 ч…………………………………………………………………………………8

Лабораторная работа (практическое занятие) № 7.

Диффузионное сульфоцианирование (сульфидирование) стальных и чугунных

деталей.………………………………………………………………………………………. 8

Лабораторная работа (практическое занятие) № 8.

Диффузионная бериллизация стали. – 2 ч…………………9

Лабораторная работа (практическое занятие) № 9.

Диффузионное титанирование стали. – 2 ч……………….10

Лабораторная работа (практическое занятие) № 10.

Диффузионное цинкование стали. – 2 ч…………………..11

B. Заключение……………………………………………………………………………….12

А. Введение
Химико-термической обработкой называется диффузионное насыщение поверхности деталей каким-либо элементом из специально созданной внешней среды.

В результате ХТО изменяются и химический состав и структура поверхностного слоя детали на определённую глубину, пропорциональную температуре, продолжительности, градиенту концентрации, площади и коэффициенту диффузии.

Этим ХТО отличается от других видов поверхностной обработки: поверхностной закалки, поверхностной пластической деформации, гальванического нанесения покрытий: в результате поверхностной закалки и ППД изменяется лишь микроструктура на определённую глубину, а при гальванической металлизации на поверхности детали образуется слой защитного покрытия, связанный с поверхностью силами адгезии.

ХТО может дополняться термической обработкой --- после ХТО или до неё.

Различные виды ХТО можно разделить на две группы: | - цементацию, азотирование, цианирование, борирование и | | - диффузионную металлизацию. К первой группе относится насыщение поверхности элементами, образующими с железом и другими металлами твёрдые растворы внедрения (механизм диффузии междоузельный), ко второй – насыщение металлических деталей металлами, образующими твёрдые растворы замещения (механизм диффузии вакансионный).

Лабораторные работы и практические занятия выполняются после прослушивания лекций по соответствующей теме или параллельно им.

Экзамен сдаётся тестированием: 45 вопросов тестов охватывают материал всего учебного курса.
|. Диффузионное насыщение элементами, образующими с основным металлом твёрдые растворы внедрения.

Работа № 1. Цементация стали – 4 ч.
Цементацией называется процесс диффузионного насыщения поверхности деталей углеродом. Цементация назначается деталям, работающим «на удар и на износ», то есть у деталей должна быть вязкая сердцевина и твёрдый износостойкий поверхностный слой. Детали изготовляют из «цементуемых конструкционных сталей» -- углеродистых и легированных, общим для которых является то, что они малоуглеродистые (% углерода ≤ 0,25). Содержание углерода в поверхностном слое в результате цементации доводят до ≈ 1 %. После цементации обязательна термообработка.

Таблица 1.

№ варианта

Марка стали

Вид цементации, температура, время

% C в поверхностном слое

Δ слоя в делениях шкалы окуляра-микрометра

Цена деления окуляра-микрометра

Δ слоя, мкм. (мм.)

Режим термообработки

Микроструктура и твёрдость поверхностного слоя, HRC.

1


20

Твёрдая, «неответственные детали»

930 ºС, 10 ч.

1%




5,6 мкм.




Неполная закалка, низкий отпуск

Мартенсит отпуска, цементит вторичный, 60…62 HRC

2

20Х

Твёрдая «ответственные детали», 950 º С, 10 ч.



1%




5,6 мкм.




Нормализация, неполная закалка, низкий отпуск.

Мартенсит отпуска, карбиды вторичные, 60…62 HRC

3

18ХГТ

Газовая, 900 ºС, 3ч., подстуживание до 860 ºС, закалка.

1%




5,6 мкм.




Закалка после подстуживания, низкий отпуск.

Мартенсит отпуска, карбиды вторичные, 60…62 HRC

4

12ХН3А


То же, но после закалки «обработка холодом».


1%




5,6 мкм.




Закалка после подстуживания, «обработка холодом», низкий отпуск.

Мартенсит отпуска, карбиды вторичные, 60…62 HRC



Задание:

1. Для заданного варианта измерить толщину цементованного слоя в делениях шкалы окуляра-микрометра и заполнить таблицу 1 для своего варианта. Цена деления при × 230 = 5,6 мкм.

2. В координатах температура-время изобразить режим цементации и последующей термообработки с указанием структур на всех этапах ХТО и термообработки по направлению от поверхности до «сердцевины», включая исходную равновесную структуру заданной стали.

3. Ответить на следующие вопросы: а) дать определение феррита, аустенита, мартенсита закалки и отпуска, цементита, перлита, троостита и сорбита – закалки и отпуска. b) дать определение полного отжига, нормализации, полной и неполной закалки, обработки холодом, трёх видов отпуска и получаемых структур после указанных видов термообработки. c) пояснить марки из таблицы 1, указать структурные классы, к которым относятся данные стали – после отжига и после нормализации по (Обергофферру и после Гийе).

4. Как влияет цементация на пределы текучести, прочности, выносливости, контактную прочность и износостойкость?
Работа № 2. Азотирование стали – 2 ч.
Азотированием называется диффузионное насыщение поверхности деталей азотом. В промышленности применяют: 1. износостойкое азотирование, 2. антикоррозийное азотирование.

Основным видом азотирования является износостойкое азотирование. Назначение: повышение поверхностной твёрдости, износостойкости, контактной прочности, предела выносливости, жаростойкости (до 450…500 º С) и коррозионной стойкости в речной и морской воде, в атмосфере и других слабо агрессивных средах.

В основном применяют газовое азотирование, используя смесь NH3 (25…60 %) +H2 .

Износостойкое азотирование производят при температуре 500…520 º С, при более высоких температурах азотирования понижается поверхностная твёрдость из-за укрупнения карбонитридов и соответственно понижаются и другие, связанные с поверхностной твёрдостью свойства.

После азотирования не требуется термообработка, до азотирования назначается «улучшение» стали – полная закалка с последующим высоким отпуском на структуру сорбит отпуска.

Наибольший эффект получается после азотирования «нитраллоев» -- сталей типа 38ХМЮА или 38ХМФА, так как при азотировании таких сталей в структуре образуются дисперсные, износостойкие нитриды и карбонитриды.

Особенностью износостойкого азотирования является большая длительность ХТО из-за низкой температуры азотирования. Поэтому разработаны различные способы азотирования, ускоряющие процесс: ступенчатое, ионное, азотирование в жидких средах.

Антикоррозийное азотирование выполняется для повышения коррозионной стойкости для деталей из любых марок сталей при температурах выше эвтектоидной на диаграмме Fe-N (591 º C) в течение короткого времени, достаточного для получения диффузионного слоя толщиной 0,015…0,030 мм.
Практическая часть работы.

1. Измерить линейкой окуляра-микрометра толщину азотированного слоя. Заполнить таблицу 2.

Таблица 2.

% варианта

Марка стали

Вид азотирования

Температура

Длительность

Т.О. до азотирования

Структура

Толщина диффузионного слоя в делениях шкалы окуляра-микрометра

Толщина диффузионного слоя, мкм, (мм)

Твёрдость, HV, кгс/мм2

1.

38ХМЮА

Газовое, «износостойкое»

520 ºС

10 ч.

«Улучшение»

Сорбит отпуска







1100

2.

30ХГС

Газовое «антикоррозийное»

600 ºС

0,5 ч.

Нормализация

Феррит + сорбит «закалки»







≈ 500



2. Нарисовать диаграмму состояния Fe-N и показать на ней режимы азотирования 1. и 2.

3. Дать характеристику фаз α, γ, γ1, ε по диаграмме Fe-N.

4. Дать химсоставы и формулы для перечисленных фаз в диффузионных слоях сталей 38ХМЮА и 30ХГС, а так же нитридов Cr, Mo, Al.

5. Изобразить режимы термообработки и азотирования в координатах Температура-Время с указанием структур и фаз на всех этапах Т.О. и ХТО, в том числе исходной и конечной – по направлению от поверхности к «сердцевине».

6. Ответить на вопросы: что такое «улучшение», нормализация, каков фазовый состав сорбита и каковы различия в сорбите «закалки» и «отпуска».
Лабораторная работа № 3. Цианирование и нитроцементация стали – 4 ч.
Цианированием (нитроцементацией) называется диффузионное насыщение поверхности деталей совместно углеродом и азотом.

Цианирование имеет ряд особенностей:

1. Совместное насыщение поверхности углеродом и азотом происходит быстрее, чем раздельное – при цементации и азотировании. Это одно из преимуществ данного вида ХТО.

2. В зависимости от температуры различают высокотемпературное, среднетемпературное и низкотемпературное цианирование.

3. Применяют «твёрдое», «жидкое» и «газовое» цианирование.

4. «Газовое» цианирование называется «нитроцементацией».

5. При высокотемпературном цианировании поверхностный слой в большей степени насыщается углеродом, в меньшей – азотом. Оно применяется для малоуглеродистых «цементуемых» сталей. После цианирования применяется термообработка – неполная закалка и низкий отпуск. При среднетемпературном цианировании происходит насыщение углеродом и азотом в равном количестве. При низкотемпературной газовой нитроцементации поверхностный слой в основном насыщается азотом и после нитроцементации термообработка не требуется, назначается «нитраллоям», до ХТО применяется «улучшение», как при азотировании.
Практическая часть работы:

1. Измерить толщину диффузионного слоя. Заполнить таблицу 3.

Таблица 3.

№ варианта

Марка стали

Вид цианирования.

Температура, ºС

Время,ч.

Состав насыщающей среды, содержание углерода и азота

Толщина диффузионного слоя, в делениях шкалы оуляра-микрометра

Толщина диффуз. слоя,мкм (мм)

Термообработка

Твёрдость поверхностного соя, HRC

1

15Х


Твёрдое, высокотемпературное

950

5

Карбюризатор + мочевина , 1% углерода, 0,2% азота







После цианирования неплоная закалка и низкий отпуск


≈ 56

2

18ХГТ

Жидкостное, среднетемпературное.

850

1,5

25 % NaCN, 75 % (NaCl + Na2CO3), 0,7% углерода, 0,8 % азота







Закалка из цианистой ванны, низкий отпуск

58…62

3

30 ХГС

Жидкостное – «Тенифер-процесс»

570

1

Расплав солей: 85% суммы(40 % KCNO + 60 % NaCN), 15 % Na2CO3, 2 % N, 0?4 % C







До цианирования нормализация.

65

4

38ХМФА

Газовое, низкотемпературное

550

2

CH4 + NH3, 1% C, 0,4 % N







До нитроцементации «улучшение»

70


2. В координатах Температура-Время изобразить режим ТО и ХТО для заданного вам варианта, с указанием структур и фаз на всех этапах термообработки и цианирования или нитроцементации, указать чередование структур от поверхности в направлении сердцевины.

3. Пояснить виды термообработки, упомянутые в таблице 3.
Лабораторная работа № 4 (практическое занятие) – Борирование стали (4 ч).
Бор так же, как углерод и азот образует с железом твёрдый раствор внедрения. Механизм диффузии в окисной плёнке междоузельный.

Назначение борирования стальных деталей – повышение твёрдости, износостойкости, жаростойкости и стойкости к электрохимической коррозии.

В промышленности применяют «твёрдое», «жидкое» и «газовое» борирование. После борирования детали закаливают, лучше с нагревом ТВЧ - для исключения продавливания и выкрошивания твёрдого и хрупкого борированного слоя.

Микроструктура борированного слоя низко- и среднелегированной стали: FeB и Fe2B* (зона, примыкающая к «сердцевине»), твёрдость поверхностного слоя до 1400 HV10.

Практическая часть работы.

1. Заполнить таблицу 4. для пяти методов борирования.
Таблица 4.

№ варианта, способ борирования, марка стали

Материалы и среды насыщения

Температура ºС

Время выдержки, ч.

Глубина борированного слоя, мм, % бора

Термическая обработка после борирования

Примерная твёрдость. диффузионного слоя, HV

1. В порошковой смеси, сталь 30

50 % ферробора или B4C 49 % Al2O3, 1 % NH 4Cl

1000

10

0,20, 4

Закалка в воде с нагревом ТВЧ, 1200º С, выдержка 0,25 ч., самоотпуск

1200

2. С применением обмазки и нагревом ТВЧ, сталь 45

B4C, гидролизованный этилсиликат – связующее

1200

2 мин.

0,12, 5 %

отсутствует

1400

3. Газовое борирование, 30 ХГСА

1 часть H2B6 на 25 частей H2

800

6

0,20, 10

Закалка в воде с нагревом ТВЧ, 1200 ºС, самоотпуск.

1300

4. Жидкостное, без электролиза, сталь 30

60% расплава буры (Na2B4O7), 40 % B4C

1000

5

0,45, 12

Закалка в воде с нагревом ТВЧ, 1200 º С, самоотпуск

1250

5. Электролизное, сталь 40Х

Расплав буры;. Деталь – катод, графитовый стержень или цилиндр – анод

1000

4

0,30; 15

Закалка в воде с нагревом ТВЧ, 1200 º С, самоотпуск.

1400


2. Изобразить в координатах Температура-Время режимы пяти методов с указанием фаз и структур на всех этапах ХТО и ТО, включая исходную равновесную структуру и конечную от поверхности к сердцевине.

3. Особенности режима нагрева и закалки ТВЧ.

4. Дать определения феррита, мартенсита, перлита, цементита.

5. Каков химический состав феррита, мартенсита и карбида стали 30ХГС и 40Х?

* Содержание бора в Fe2B – 8,83%, в FeB – 16, 23 %, в феррите 0 % B: учитывать при решении вопроса о структуре поверхностного слоя и изменении структуры по направлению к «сердцевине».
| |. Диффузионная металлизация.

К диффузионной металлизации относятся такие виды ХТО, как насыщение поверхности металлических сплавов металлами (хромом, алюминием, титаном и др.) и полуметаллами (кремнием), которые образуют с основным металлом твёрдые растворы замещения. Энергия активации при образовании твёрдых растворов замещения примерно в 2 раза выше, чем при образовании твёрдых растворов внедрения, коэффициент диффузии ниже и процесс ХТО происходит медленнее. Механизм диффузии вакансионный.
Лабораторная работа № 5 (практическое занятие) – 4 ч.

Диффузионное хромирование стали.

Этот вид ХТО проводят с целью повышения коррозионной стойкости, кислотостойкости, поверхностной твёрдости, износостойкости, предела выносливости (предела усталости), контактной прочности деталей из стали (и чугуна).

Растворимость Cr в γ-Fe 12 %, в α-Fe неограниченная.

Диффузионный слой технического железа и малоуглеродистой стали состоит из твёрдого раствора хрома в α-Fe с твёрдостью 250…300 HV. Слой, полученный при хромировании стали с > 0,3 % C, состоит из карбидов (Cr, Fe)7C3 и (Cr, Fe)23C6. Под слоем карбидов находится переходный слой с высоким содержанием углерода (0,8 %). Такие слои образуются за счёт диффузии углерода из внутренних слоёв навстречу хрому, как сильному карбидообразующему элементу. В случае применения хромоазотирования диффузионный слой содержит нитриды хрома.

Практическая часть работы.

1. Заполнить таблицу 5.
Таблица 5.

№ варианта, метод хромирования, марка стали.

Материалы и среды насыщения

Температура, º С

Время выдержки, ч.

Глубина дифф. слоя, мм; % Cr.

Термообработка

Примерная твёрдость диффузионного слоя, HV

1. В порошкообразной смеси, сталь 08

50 % металлического хрома или феррохрома, 47 % глинозёма или каолина 3 % NH4Cl

1050

8

0,12, 8


Не применяется

250

2. В газовой среде, сталь 10

Cr или FeCr, через которые пропускают HCl или H2 + HCl . Изделия можно помещать отдельно от Cr или FeCr, либо пересыпать ими.

980

5

0,1; 15

Не применяется.

280

3. , сталь У7, в вакууме (10-2 ...10-3 мм ртутного столба), для мелких деталей

Изделия засыпают кусочками с диаметром 1…3 мм металлического Cr

1000

1

0,1; 20

Закалка с низким отпуском после хромирования.

1300

4. , хромоазотирование лопаток турбин из стали 12Х1МФ в твёрдых порошках .

Cr, обработанный HCl , NH4Cl., угольный порошок

1100

10

0,2; 10% Cr, 2 % N, толщина нитридной зоны 40…60 мкм


До ХТО нормализация с выдержкой 0,5 ч.

1500

5. Раздельное насыщение Cr и N поверхностного слоя лопаток газовых турбин из стали 12ХМФ в твёрдых порошках

Хромирование в порошке состава ,как в варианте 4; с последующим газовым азотированием в NH3, совмещённом с нагревом ТВЧ

Хромирование при 1100 º С, азотирование при1000 º С

5, выдержка при азотировании 0,2 ч.

0,2; толщина нитридного слоя 50 мкм; 5 % Cr, ! % N

Поверхностная индукционная закалка с самоотпуском, совмещённая с азотированием

1500


2. Изобразить в координатах Температура – Время режимы пяти вариантов ХТО таблицы 5, с указанием фаз и структур на всех этапах ХТО и ТО, включая исходную структуру и конечную в направлении от поверхности к «сердцевине.

3. Ответить на вопрос, что такое жаропрочность (теплостойкость) и к какой группе теплостойких сталей относятся стали 12Х1МФ и 12ХМФ.

4. Что такое жаростойкость и термическая стойкость?
Лабораторная работа № 6 (практическое занятие). – 4 ч.
Диффузионное силицирование стальных и чугунных деталей.

Силицирование стали производят для повышения жаростойкости – до 900…1000 º С, коррозионной стойкости в речной и морской воде, кислотостойкости в HCl, H2SO4, HNO3 и повышения износостойкости.

Разработаны следующие методы диффузионного силицирования: 1). В порошковых смесях (60 % ферросилиция, 39 % Al2O3 или каолина и 1 % NH4Cl). 2). В жидкой среде ( 50 % BaCl2 + 50 % NaCl с добавлением 20 % порошка ферросилиция, или в электролите). 3). В газовой среде.

Наиболее часто в промышленности применяют газовое силицирование в печах с вращающимися ретортами, в которые загружают детали и куски ферросилиция или карбида кремния. Через реторты непрерывно пропускают хлор, который взаимодействует с Si и образует SiCl4:

SiCl4 + Si = 2 SiCl2, 2SiCl2 + x Fe = Fex Si + SiCl4, или 2 SiCl2 → Si + SiCl4



Fe

В результате газового силицирования при 1000 º С в течение 2 – 4 часов образуется диффузионный слой толщиной 0, 5 - 1 мм. Концентрация кремния на поверхности – до 14 %. Этот слой - твёрдый раствор замещения Si в α-Fe весьма хрупок, имеет небольшую твёрдость. Под диффузионным слоем часто наблюдается слой перлита, что объясняется оттеснением углерода из диффузионного слоя вследствие пониженной растворимости углерода в кремнистом феррите. Силицированный слой отличается повышенной пористостью.

Несколько повышается износостойкость деталей: несмотря на низкую твёрдость (HV = 200…300) силицированный слой обладает повышенной износостойкостью после предварительной пропитки маслом. Силицирование резко повышает жаростойкость молибдена, вольфрама и некоторых сложных сплавов.

Силицирование чугунных деталей производят для повышения коррозионной стойкости, жаростойкости и кислотостойкости (стойкости в агрессивных кислотах).

Методы силицирования аналогичны методам хромирования. Чаще применяется газовое силицирование – в газах SiCl4 и SiH4.

В промышленности применяют также Борирование, цинкование, титанирование, алюмосилицированние и другие виды ХТО чугунных деталей.

Практическая часть работы:

1. Для стали 20 в координатах Температура – Время изобразить режим газового силицирования стали 20 при 1000 º С в течение 4 ч.; концентрация кремния в поверхностном слое – 14 %. Указать структуры и фазы на всех этапах данного вида ХТО.

2. Нарисовать элементарную ячейку феррита стали 20 после силицирования и вид под микроскопом. .
Лабораторная работа № 7 (практическое занятие). – 2 ч.
Диффузионное сульфоцианирование (сульфидирование) стали.

Сульфоцианирование – процесс поверхностного насыщения стальных (и чугунных деталей) одновременно азотом, углеродом и серой.

Сульфоцианирование эффективно лишь в определённых условиях работ, как средство против образования задиров при трении с большими нагрузками и при недостатке смазки. Сульфоцианирование значительно облегчает притирку деталей.

Сульфоцианированными деталями часто удаётся заменять бронзовые детали, работающие на трение (подшипники и др.).

За рубежом для сульфоцианирования применяют ванны, в состав которых входят ядовитые цианистые соли.

При освоении процесса отечественная промышленность так же шла по этому пути.

Позднее НИИТавтопромом были предложены составы ванн, составляющие которых в исходном состоянии не ядовиты. Такие ванны используются на отечественных заводах.

Исходные составляющие такой ванны: 45 % K2CO3 55 % CON2H4. В расплав солей каждые 6 час. добавляю Na2S. Для освежения в ванну регулярно добавляют CON2H4. Рабочий состав такой ванны: 30 - 90 % KCNO и 0,2 – 2,5 % S. Продолжительность процесса 1,5 ч. при 560…580 º C.

На поверхности стальных (и чугунных) изделий в ваннах указанного состава или аналогичных образуется по существу цианированный слой толщиной 0,1…0,2 мм., обогащённый не только азотом и углеродом, но и серой не более 0,010...0,020 мм. содержание серы в слое доходит до 2 %. Образуется плёнка сернистого железа или (по другим данным) плёнка сложного соединения серы, азота, углерода и основного металла. В более глубоких зонах слоя обнаруживается лишь небольшое повышение содержания серы.

Для низкотемпературного сульфоцианирования деталей предложена ванна, состоящая из 90 % KCNS и 10 % NH4CNS. Обработка ведётся при 100…200 º C в течение 1 ч. При этом образуется слой толщиной в несколько мкм. С повышенным содержанием N и S, что улучшает прирабатываемость деталей.

Практическая часть работы:

1. Изобразить в координатах Температура – Время два режима сульфоцианирования для стали 40Х – высокотемпературного и низкотемпературного, с указанием структуры и фазового состав на всех этапах ХТО.
Лабораторная работа № 8 (Практическое занятие) – 2 ч.

Диффузионная бериллизация стали.

Бериллизацией называется процесс диффузионного насыщения поверхности деталей бериллием.

Плотность бериллия – 1,85 г./ см.3, стандартный электродный потенциал Е º -- 1,85 В., кристаллическая решётка Г 12, температура плавления – 1284 º С.

В результате бериллизации резко повышается жаростойкость (окалиностойкость) не только железа и стали, но и многих других металлов и сплавов (как при алитировании). В ряде случаев бериллизация обеспечивает даже более высокую окалиностойкость, чем алитирование. Данный вид ХТО большей частью проводят в порошкообразных смесях, состоящих из 98 - 99 % Be (или ферробериллия), 1 - 2 % NH4Cl или 75 % Be (или ферробериллия), 23 % Al2O3 и 2 % NH4Cl. Температура процесса 950 – 1050 º C, продолжительность 4 – 10 ч. При 1050 º C за 4 ч. получается слой глубиной ≈ 0,2 мм. с высокой поверхностной твёрдостью (для стали 10 ≈ 1000 HV10, стали 45 ≈ 1200 HV10).

Поверхностный бериллизованный слой низкоуглеродистой стали состоит из внешней зоны – бериллидов железа (FeBe2), лежащего под ней α-твёрдого раствора + FeBe2 и, наконец, зоны α-твёрдого раствора.

У среднеуглеродистой и высокоуглеродистой стали внешняя тонкая зона отвечает карбиду Be2C.

Окалиностойкость металлокерамического сплава, обладающего повышенной жаропрчностью и состоящего из TiC, связанного соединением Ni3Al, при 1250 º C повышается в 20 раз. (по экспериментальным данным В. П. Елютина, И. Е. Мозжучина, В. И. Шулепова).

Практическая часть:

1. Изобразить в координатах Температура – Время 2 режима бериллизации – стали 10 и стали 45. Для стали 10: 950 º С, 4 ч. Содержание Be в поверхностном слое -- 30 % ; для стали 45: 1050 ºC, 10 ч. Содержание Be в поверхностном слое -- 35 %*.

* Растворимость Be в α-Fe ≈ 2%, область α + FeBe2 -- ≈ 2…24 %, область FeBe2 (β - фаза) ≈ 24…37 % Be.

2. Каково различие в следующих свойствах металла: жаростойкость, жаропрочность, износостойкость, эрозионная стойкость, коррозионная стойкость, термическая стойкость.
Лабораторная работа № 9. (Практическое занятие) – 2 ч.

Диффузионное титанирование стали.

Цель титанирования – резкое повышение стойкости стальных изделий против коррозии, кислотостойкости и стойкости режущего и штампового инструмента.

Разработаны следующие способы титанирования:

1. Газовое – титанирование железных листов в смеси хлорида титана и водорода при 900…1000 º С (Япония). Такие листы используют, в частности, для производства термоэлектронных и др. вакуумных ламп.

2. Жидкостное титанирование: а) – обработка стали в ванне из 80 % NaCl и 20 % порошка специально выплавляемого сплава TiOχ, содержащего ≈ 10 % (ат.) O2 , или порошка титана, загрязнённого кислородом ≈ до указанной концентрации. Ванну расплавляют и эксплуатируют под током очищенного гелия или аргона. Этот (быстрый) способ обеспечивает хорошую коррозионную стойкость и кислотоупорность образующегося диффузионного слоя, но проведение процесса ХТО таким способом сложно; б) -- диффузионное титанирование инструментальных сталей типа Р18 и ХВГ из среды легкоплавких жидкометаллических растворов (Соколов А. Г., Сотников В. И.). На инструменте образуется покрытие на базе карбида титана. Диффузионное титанирование режущего и штампового инструмента является эффективным способом повышения стойкости инструмента – в 2…10 раз, при этом улучшается качество обработки и её производительность, повышается коррозионная стойкость и кавитационная стойкость.

3. Электролизное титанирование в расплаве с использованием растворяемого титанового анода или путём электролиза самого расплава. В последнем случае в расплав NaCl вводят 16 % K2TiF6 , анодом является графит; температура процесса 850…900 º С, плотность тока 95 А / дм2 , напряжение 3…6 В, толщина слоя 0,02…0,075 мм.

4. Насыщение железа и стали Ti, (Mo, W, V, Zr, Mn) из обмазок при быстром электронагреве, позволяющем сократить продолжительность ХТО от десятков часов до нескольких минут.

Практическая часть.

1. Изучить физические, химические, механические и технологические характеристики титана, его атомную и атомно-кристаллическую структуру и оформить в виде предисловия к пунктам 2 и 3 практической части.

2. Что такое удельная прочность? Почему титан и его сплавы так же, как алюминий и его сплавы широко применяются в летательных аппаратах?

3. Изобразить в координатах Температура-Время режим титанирования стали Ст 5 при 1200 ºС, с выдержкой 2 мин, и методе нагрева ТВЧ с указанием структур и фазового состава на всех этапах ХТО, включая исходную равновесную структуру и конечную в направлении от поверхности к «сердцевине». Глубина диффузионного слоя – 15 мкм, содержание титана в поверхностном слое – 35 %. Принять к сведению, что растворимость титана в α-Fe уменьшается от 7 % при 1340 до ≈ 2 % к нормальной температуре. В системе Fe-Ti образуются две интерметаллические фазы: Fe2Ti или ε-фаза (30,02 % Ti) и FeTi или η-фаза (46,17% Ti). Чередование фаз: η + ε, ε + α, α, основная структура мартенсита отпуска или феррита и перлита (сорбита, троостита), если деталь массивная под слоем мартенсита отпуска.
Лабораторная работа № 10 (Практическое занятие) – 2 ч.
Диффузионное цинкование стали.

В промышленности применяют следующие виды диффузионного цинкования:

1. Термодиффузионное цинкование --- ТДЦ. 2. Жидкофазное «горячее» цинкование. 3. Цинкование в парах цинка.

1. Разработку и внедрение в промышленность метода ТДЦ осуществляет ООО «НПО НеоЦИНК». Сущность метода состоит в образовании на поверхности жидкого цинкового покрытия за счёт перехода атомов цинка при температуре выше 260 º С в паровую фазу и проникновение в жидкую подложку, при этом образуется железоцинковый сплав сложной фазовой структуры. Образование такого покрытия возможно только при высоких температурах 400…450 º С в замкнутом пространстве реторт или муфелей, заполненных цинкуемыми деталями и цинкосодержащей порошковой смесью. Процесс экологически безопасен и не требует создания очистных сооружений. Современное оборудование – печи для нанесения цинковых покрытий ТДМ состоят из реторты (контейнера) цилиндрической формы длиной 900 – 1000 мм и диаметром 300 – 500 мм, вращающейся вокруг своей оси со скоростью 2 – 10 об./мин. Вокруг реторты расположены нагревательные элементы – ТЭНы мощностью 15 – 30 кВт.

Состав порошка: цинк или цинковая пыль (отходы производства, содержащие 75…90 % Zn).

При обработке в ящиках процесс цинкования протекает в 2 – 3 раза медленнее, и для его ускорения порошок цинка иногда предварительно обрабатывают соляной кислотой.

Диффузионный метод цинкования производят при 350…480 ºС , в течение 2 – 5 часов.

В результате создаётся диффузионный слой толщиной 25 – 30 мкм. Покрытие состоит из нескольких слоёв (фаз), которые образуются в результате взаимной диффузии атомов цинка и железа: Г-фазы – интерметаллического соединения, содержащего до 28 % Fe и δ – фазы, содержащей от 7 до 11,5 % Fe. (По другим источникам из ε – фазы и γ – фазы; ε – фаза -- FeZn, γ – фаза – Fe5Zn21). На поверхности покрываемого изделия образуется слой γ - фазы – (или фазы Г), толщиной 2 – 4 мкм, а внешний слой – это ε – фаза (или фаза δ).

Структура внешнего слоя выглядит на травлённом шлифе в виде вытянутых к поверхности (столбчатых) кристаллов. Твёрдость покрытия 3360…5200МПа, коррозионная стойкость в атмосфере и в морской воде не ниже, чем у деталей, оцинкованным гальваническим способом, который в 2 раза дороже.

Пассивированием деталей в растворе 150 г/л хромового ангидрида и 50 г/л хлористого натрия дополнительно повышают коррозионную устойчивость диффузионного цинкованного слоя.

ТДЦ – покрытия абсолютно беспористые. В процессе работы в коррозионной среде на деталях образуются плотные защитные слои из продуктов коррозии – «эффект самозащиты».

Современная технология, разработанная ООО «НПО Неоцинк», позволяет цинковать как изделия длиной до 12, 5 м, так и небольшие детали: муфты насосно-компрессорных и обводных труб и др. Минимум ручного труда при загрузке и выгрузке в печь, электронная система управления температурным режимом обеспечивает равномерность нагрева и равномерную толщину и качество диффузионного покрытия. Покрытие ТДЦ является жаростойким. Это сухой процесс, он удобен для защиты деталей порошковой металлургии. Покрытие ровное, точно воспроизводит форму деталей и со сложной конфигурацией. Недостатком является отсутствие декоративных свойств – покрытие темно-серого цвета, без блеска.

Жидкофазный способ диффузионного цинкования (горячее цинкование в расплаве цинка.) до последнего времени является самым распространённым в промышленности. Твёрдость такого покрытия 600…900 МПа. Продолжительность цинкования -- от 30 с. до 2 мин. При этом атомы цинка взаимодействуют лишь с поверхностью стальной подложки, поэтому связь слоя с основой слабее, чем при ТДЦ.

3. Цинкование в парах цинка разработано в Германии и применяется для повышения устойчивости стали в сероводороде при повышенных температурах. Цинкование ведут при 720…980 º С в парах цинка, получают диффузионный слой глубиной до 0,15 мм, стойкий против воздействия сероводорода примерно в течение года. Такой метод цинкования используют для обработки регенераторов и деталей химической промышленности.

Практическая часть:

1. Изобразить 3 режима диффузионного цинкования в координатах Температура – Время деталей из стали Ст 3. Продолжительность цинкования для варианта 3 принять равным 1му часу.

2. Ознакомиться с применением цинка и его сплавов в промышленности (изучить и законспектировать литературные данные).

B. Заключение.

Методика выполнения лабораторных работ (практических занятий).

1. Группа разбивается на подгруппы из 2 -3студентов.

2. Студенты подгруппы знакомятся с работой и практическим заданием, выданным данной подгруппе.

3. Работа выполняется, оформляется и сдаётся на проверку. – в тетради для лабораторных работ и практических занятий. Оценка за каждую работу оценивается по балльно-рейтинговой шкале и выставляется в соответствующую графу.

4. Количество работ превышает количество часов лабораторных работ или практических занятий согласно учебному плану и поэтому в каждой группе они могут быть разными.

5. График заданий (номера работ на весь семестр) и список литературы сообщаются студентам вначале семестра в том порядке, в каком они будут последовательно выполняться.

6. Студенты обязаны приходить на лабораторные работы и практические занятия подготовленными к их выполнению.


Список литературы
1. Белякова А. Ф, Химико-термическая обработка. Краткий курс лекций. СПИ, 2010.

2. Машиностроение. Энциклопедия.- Т.||, кн. 2; т. |||, кн. 2. – М.: Машиностроение, 2001.

3. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1990.

4. Дахно Л. А., Шарая О. А. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Караганда, 2004.

5. Металловедение и термическая обработка. Справочник. Т |, Т ||. – М.: Металлургиздат, 1961, 1962.

6. Термическая обработка в машиностроении. Справочник. – М.: Машиностроение, 1980.

.
Список литературы