ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 8 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ ГЛУБИНЫ УПРОЧНЕННОГО СЛОЯ

Цельработы

Определение глубины упрочненного слоя различными методами; приобретение навыков по измерению микротвердости порошковых материалов.

Задачиработы

Изучение теоретических основ упрочняющей обработки спеченных порошковых материалов; освоение методов определения эффективной глубины упрочненного слоя спеченных материалов в соответствии с международным стандартом ИСО 4507; оценка влияния технологических параметров и способов упрочнения поверхностного слоя спеченных материалов на итоговые значения твердости.

Краткиетеоретическиесведения

Требования, предъявляемые к механическим и физико-химическим свойствам порошковых изделий, непрерывно возрастают. Повысить соответствующие свойства порошковых материалов можно изменением их структуры, различными видами термической, химико-термической, термомеханической и дисперсионно-упрочняющей обработки, защитой от коррозии и механической обработкой для придания изделиям требуемых размеров и формы.

Термическая обработка

Под термической обработкой (ТО) понимается совокупность операций нагрева, выдержки при высоких температурах и охлаждения с различной скоростью с целью изменения структуры и обрабатываемости материала, улучшения комбинации его механических и физических свойств.

Практика показывает, что такому воздействию должны подвергаться многие порошковые изделия различного назначения, в первую очередь, конструкционные на железной основе. Существенное отличие структуры порошкового материала от структуры материала, полученного по традиционным технологиям (прежде всего – наличие пористости), не позволяет автоматически переносить закономерности тепловых процессов в компактном материале на порошковый.

 Процессы порошковой металлургии. Метод. указания к лабораторным работам

-58-

ЛАБ. РАБОТА 8 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ ГЛУБИНЫ УПРОЧНЕННОГО СЛОЯ

Краткие теоретические сведения

Обладая большей суммарной поверхностью, пористые изделия при нагревании более склонны к обезуглероживанию, окислению и т.д., поэтому при их обработке необходимо применять либо более быстрый нагрев, при котором за счет меньшего времени теплового воздействия химическое взаимодействие затрагивает меньшие объемы, либо осуществлять нагрев в защитных (нейтральных, восстановительных) атмосферах или в углеродсодержащих засыпках. Наличие в порошковых материалах пор, заполненных газом, существенно снижает тепло- и температуропроводность изделий. В связи с этим при прочих равных условиях их скорости нагрева и охлаждения, а также другие характеристики процессов ТО будут отличаться от аналогичных показателей для беспористых изделий.

Термическая обработка порошковых материалов делится на предварительную (различные виды отжига и нормализация) и окончательную (закалка с отпуском). В некоторых случаях отжиг и нормализация могут быть окончательной ТО.

Предварительная обработка проводится как на порошках, так и на сформованных, спеченных и откалиброванных заготовках с целью улучшения их структуры, технологических и механических свойств (снижения твердости, улучшения обрабатываемости резанием, уменьшения и полного снятия остаточных напряжений). Окончательной обработке обычно подвергают готовые изделия с целью улучшения или формирования заданной структуры и придания необходимых свойств.

Порошковые материалы на основе цветных металлов также могут подвергаться отжигу, закалке и отпуску.

Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка (ХТО) заключается в нагреве и выдержке металлов и сплавов при высокой температуре в активных газовых, жидких или твердых средах. Она обеспечивает изменение свойств поверхности порошковых изделий, в том числе ее химического состава при диффузионном насыщении частиц материала-основы каким-либо легирующим элементом.

При ХТО пористых изделий кроме повышения твердости или приобретения специальных свойств на их поверхности может происходить залечивание пор, играющее в ряде случаев большую роль для повышения всего комплекса свойств при сохранении массы и размеров изделий. В случае высокоплотных порошковых материалов можно совмещать ХТО со спеканием или нагревом перед каким-либо видом горячего формообразования.

После некоторых видов ХТО проводят термическую обработку, улучшающую свойства сердцевины и поверхности изделия. В некоторых случаях ХТО предшествует ТО.

Распространенными видами химико-термической обработки порошковых материалов являются цементация, азотирование и сульфидирование –

 Процессы порошковой металлургии. Метод. указания к лабораторным работам

-59-

ЛАБ. РАБОТА 8 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ ГЛУБИНЫ УПРОЧНЕННОГО СЛОЯ

Краткие теоретические сведения

насыщение изделий, соответственно, углеродом, азотом или серой. Кроме этого, в практике порошковой металлургии используют так называемую диффузионную металлизацию – введение в состав порошкового материала хрома, алюминия, титана и т.д. Нередко ведут насыщение сразу несколькими элементами – цианирование (С + N), карбохромирование (С + Сr), карбохромсилицирование (С + Сr + Si).

Вкачестве рабочих сред при химико-термической обработке применяют твердые, жидкие и газообразные вещества. Наиболее эффективными являются газовые среды, обеспечивающие максимально быстрый подвод насыщающего элемента к поверхности.

Вжидких средах насыщение происходит вследствие либо прямого контакта расплава с поверхностью обрабатываемого изделия, либо за счет газов или элементов в атомарном виде, выделяющихся в результате протекающих в расплаве реакции или электролиза.

Насыщение в твердых средах характеризуется весьма малой скоростью, так как активность твердых тел невелика, а основное взаимодействие развивается только в местах непосредственного контакта насыщающего элемента с обрабатываемой поверхностью. Часто для ускорения процесса к

твердым средам добавляют активаторы типа NH4C1, NH4Br, BaCO3 и др., с помощью которых формируется активная газовая фаза, принимающая участие в образовании соответствующего насыщенного слоя.

Насыщение поверхностных слоев изделия углеродом (цементацию)

проводят в углеродсодержащих средах (карбюризаторах), которые могут быть твердыми (древесный уголь), газовыми (природный, светильный и конвертированный газы, эндо- и экзогазы и др.) и жидкими (соляные ванны типа ВаСО3 + NaCl с добавкой 10–15 % карбида кремния, карбида кальция, кокса и других науглероживающих веществ). Наиболее прогрессивной является газовая цементация. Оптимальное сочетание механических свойств (высокой прочности и твердости на поверхности при относительно высокой ударной вязкости сердцевины) в цементованных изделиях обеспечивается последующей термической обработкой – закалкой и отпуском.

Насыщение поверхностных слоев изделия азотом (азотирование) с целью получения высокой поверхностной твердости, износостойкости, коррозионной стойкости и усталостной прочности проводят при относительно низких температурах в течение длительного времени (десятки часов), что вызвано достаточно малой скоростью диффузии в металлах. Этот вид ХТО, которому подвергают порошковые изделия, прошедшие окончательную термическую обработку, проводят в диссоциированном аммиаке со степенью диссоциации от 30 до 60 %.

Нитроцементацию – насыщение поверхностных слоев материала (изделия) одновременно азотом и углеродом проводят при использовании смесей науглероживающих и азотирующих газов (например, смеси диссо-

 Процессы порошковой металлургии. Метод. указания к лабораторным работам

-60-

ЛАБ. РАБОТА 8 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ ГЛУБИНЫ УПРОЧНЕННОГО СЛОЯ

Краткие теоретические сведения

циированного аммиака с 20–30 % природного газа). После проведенной нитроцементации поверхностные слои изделия (материала) приобретают повышенную твердость и износостойкость (большую, чем у цементованных изделий) за счет образования карбонитридов.

Насыщение поверхностных слоев изделия серой (сульфидирование) проводят с целью улучшения прирабатываемости, уменьшения коэффициента трения и повышения сопротивляемости износу. В настоящее время распространены три способа проведения этой обработки:

1.Погружение изделия в расплавленную серу (температура 130–160 °С) на 10–20 мин с последующим диффузионным отжигом при 400–750 °С в защитной среде.

2.Газовое сульфидирование в токе сероводорода.

3.Насыщение серой в твердых засыпках или в газовых смесях, полученных крекингом сернистых соединений и аммиака (совмещением сульфидирования с нитроцементацией или азотированием).

Образующиеся в процессе обработки сульфиды располагаются в виде мелкодисперсных включений в порах и на поверхности изделия.

Насыщение поверхностных слоев изделия хромом (хромирование), алюминием (алитирование), ванадием (ванадирование), цинком (цинкование)

идр. элементами носит название диффузионной металлизации.

Поверхностное легирование обеспечивает экономию легирующих элементов, не снижая эксплуатационных характеристик изделий, работающих в условиях активной коррозии, трения и износа. Наибольшее распространение имеет хромирование, которое повышает механические свойства изделий, их износо-, жаро- и коррозионную стойкость, увеличивает поверхностную твердость и образует декоративное покрытие.

Хромирование порошковых материалов (изделий) можно проводить в твердом металлизаторе на основе хрома или феррохрома или в газовых средах. Во втором случае сначала образуются летучие галогениды хрома (например, при взаимодействии хрома с хлористым водородом, получающимся в результате разложения NH4C1), а затем протекают обменные реакции между галогенидами и основным металлом конкретного материала.

Количество хрома, продиффундировавшего в пористый образец, и глубина хромированного слоя обратно пропорциональны относительной плотности порошкового материала.

Хромирование можно совмещать с процессом спекания заготовок или проводить на готовых изделиях после спекания или горячего прессования. Перспективно совмещение хромирования с цементацией и азотированием (карбохромазотирование), позволяющее повысить износостойкость и эрозионную стойкость порошковых изделий.

Для повышения износо-, окалино- и коррозионной стойкости порошковых материалов применяют и другие виды ХТО: борирование, фосфатирование, силицирование и пр.

 Процессы порошковой металлургии. Метод. указания к лабораторным работам

-61-

ЛАБ. РАБОТА 8 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ ГЛУБИНЫ УПРОЧНЕННОГО СЛОЯ

Описаниелабораторнойустановки

1.Прибор для определения микротвердости по Виккерсу, позволяющий приложить заданную нагрузку, равную 0,9807 Н (HV 0,1), с точностью ±1%.

2.Измерительный прибор (микроскоп), обеспечивающий измерение диагоналей отпечатка с точностью ±0,5 мкм.

Заданиенавыполнениелабораторнойработы

Методы определения эффективной глубины упрочненного слоя цементированных или цианированных спеченных материалов на основе железа путем измерения микротвердости по Виккерсу устанавливает международный стандарт ИСО 4507. Описываемая методика не применима к материалам, прошедшим закалку, но при определенном подходе ее можно применять для пористых материалов.

В стандарте используются следующие специальные определения:

–эффективная глубина упрочненного поверхностного слоя (DC) – расстояние, измеренное перпендикулярно поверхности, на котором твердость падает ниже определенного уровня;

–общая глубина упрочненного поверхностного слоя – расстояние, измеренное перпендикулярно поверхности, на котором твердость падает до уровня твердости сердцевины детали.

По результатам определения микротвердости строят кривую изменения твердости как функции расстояния от поверхности образца по сечению, перпендикулярному упрочненной поверхности. Эффективную глубину упрочненного поверхностного слоя считывают в этой кривой в точке, соответствующей определенной твердости по Виккерсу, обычно равной (HV 0,1) = 550.

Описанный метод (метод А) может быть упрощен при необходимости быстрого определения (метод В). По методу В твердость измеряют в двух точках, расположенных с двух сторон приблизительно взятой глубины упрочненного поверхностного слоя. Точную эффективную глубину упрочненного поверхностного слоя определяют с помощью интерполяции.

Порядоквыполненияработы

Измерения микротвердости проводят по сечению спеченного образца, разрезанного перпендикулярно к поверхности. Исследуемая поверхность должна быть отполирована до чистоты, которая обеспечивает правильные измерения микротвердости по отпечатку. При полировке следует принять все меры предосторожности во избежание повреждения кромок образца, перегрева или изменения поверхности вследствие загрязнения пор.

Испытание выполняют с помощью алмазного индентора Виккерса; применяемая нагрузка равна 0,9807 Н (HV 0,1).

 Процессы порошковой металлургии. Метод. указания к лабораторным работам

-62-

ЛАБ. РАБОТА 8 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ ГЛУБИНЫ УПРОЧНЕННОГО СЛОЯ

Порядок выполнения работы

М е т о д А. Определение эффективной глубины упрочненного поверхностного слоя

Расположение отпечатков при определении микротвердости показано на рис. 8.1. Для каждой глубины (d1, d2 и т.д.) делают по меньшей мере три отпечатка. Исключают наименьшее значение, если оно явно мало, например, из-за пористости или если оно, будучи оставлено, увеличивает диапазон пористости, полученный по другим отпечаткам, более чем в два раза. В этих случаях делают повторный отпечаток.

Отпечатки делают на следующих глубинах от поверхности, мм:

0,05–0,1–0,2–0,3–0,4–0,5–0,75–1,0–1,5–2,0–3,0.

Расстояние между двумя смежными отпечатками S (рис. 8.1) должно быть не менее чем в 2,5 раза больше диагонали отпечатка. Инденторные воздействия должны быть в пределах зоны W шириной 1,5 мм.

Далее вычисляют средние арифметические значения величин твердости, полученные на каждой глубине, и строят график зависимости твердости от расстояния до поверхности. Проводят горизонтальную линию черезточку HG, отвечающую определенной величине твердости. Эффективная глубина упрочненного поверхностного слоя на оси абсцисс соответствует точке пересечения этой горизонтали с кривой изменения твердости.

d1 d2

S

S

d3

W

Рис. 8.1. Расположение отпечатков при определении твердости

Точность определения зависит от количества отпечатков на каждой глубине. Если результат не точен вследствие малого угла пересечения между кривой и горизонтальными линиями, то дополнительные отпечатки в области приблизительных величин глубины упрочненного поверхностного слоя увеличат точность.

М е т о д Б. Качественное испытание для определения эффективной глубины упрочненного поверхностного слоя

Метод основан на предположении, что кривую глубины упрочненного поверхностного слоя (функцию твердости) можно рассматривать как прямую

 Процессы порошковой металлургии. Метод. указания к лабораторным работам

-63-

ЛАБ. РАБОТА 8 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ ГЛУБИНЫ УПРОЧНЕННОГО СЛОЯ

Порядок выполнения работы

в области величин эффективной глубины поверхностного слоя, определенной методом А.

Участок готовят так же, как в методе А, но определение микротвердости проводят только для двух глубин – d1 и d2 (рис. 8.1). Значения глубин выбирают так, чтобы dl было меньше, a d2 было больше полученной эффективной глубины упрочненного поверхностного слоя. При этом d, должно быть меньше общей глубины упрочненного поверхностного слоя.

Величину глубин d выбирают на основании последнего испытания аналогичных материалов или по кривой твердости, построенной для аналогичного материала по методу А. Делают по меньшей мере по пять измерений микротвердости на каждой из двух глубин. Расстояния между смежными отпечатками и правила для отбрасывания меньших значений те же, чтои в методе А.

Если значения твердости на глубинах d1 и d2 оба выше или оба ниже значения твердости на эффективной глубине упрочненного поверхностного слоя, то для определения используют метод А

Обработка результатов

Вычисляют среднее арифметическое значение величин твердости, полученных на каждой глубине. Затем применяют один из двух способов:

1) строят график (рис. 8.2) зависимости величины твердости от расстояния до поверхности. Наносят две величины твердости Н1 и Н2 напротив соответствующих величин глубин d1 и d2 и соединяют две точки. Эффективную глубину упрочненного поверхностного слоя находят по оси абсцисс, как соответствующую точке пересечения прямой твердостии горизонтали, проведенной через точку НG, соответствующую определенной величине твердости поверхностного слоя;

Твердость по Виккерсу, HV 0,1

HG

Глубина отпечатка, мм

Рис. 8.2. График зависимости твердости от расстояния до поверхности

 Процессы порошковой металлургии. Метод. указания к лабораторным работам

-64-

ЛАБ. РАБОТА 8 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ ГЛУБИНЫ УПРОЧНЕННОГО СЛОЯ

Порядок выполнения работы

2) вычисляют эффективную глубину упрочненного поверхностного слоя DC по уравнению

DC = d +	(d2 Н−d1)(HG1 − )		,
1	Н1	−Н2

где HG – определенная величина твердости; H1, Н2 – средние арифметические значения величины твердости, измеренные на расстоянияхd1 и d2.

Требованиякотчету

Отчет должен содержать следующую информацию: 1. Ссылку на международный стандарт ИСО 4507.

2. Полное описание образца (с подробностями термической обработки, если ее проводили).

3. Описание участка детали, на котором выполняли испытания. 4. Используемый метод обработки результатов (А или В) и опре-

деленную величину твердости, соответствующую эффективной глубине упрочненного поверхностного слоя.

5. Полученный результат.

6. Оценку влияния технологических параметров и способов упрочнения поверхностного слоя спеченных материалов на итоговые значения твердости.

Контрольныевопросыизадания

1.Каковы принципы термообработки для порошковых материалов?

2.Перечислите основные виды химикотермической обработки.

3.С какой целью проводят нитроцементацию?

4.Каковы свойства поверхности, подвергшейся сульфидированию?

5.Что такое диффузионная металлизация?

 Процессы порошковой металлургии. Метод. указания к лабораторным работам

-65-