2020-07-01
136Задание № 1
Назначьте режим термической обработки (температуру закалки, охлаждающую среду, температуру отпуска) для детали или инструмента из указанной стали, для получения заданного значения твердости или прочности (
в) (таблица 1). Опишите микроструктуру и свойства материала до и после термической обработки.
Таблица 1. Темы задания № 1
| № вар | Деталь | Марка стали | Значение твердости или предела прочности |
| 22 | Рессора | 70С3А | в =1800 МПа
|
Одна из самых старых и нужных частей автомобиля это рессора. Рессора это разновидность пружины, которая состоит из одной или нескольких пластин которые работают на изгиб. Являясь разновидностью пружины рессорная подвеска сохраняет все особенности характерные пружинам. Однако бывает так что у некоторых автомобилей пружинная подвеска комфортнее рессорной подвески. Это значит, что рессору специально сделали жесткой. Но у рессоры есть особые характеристики. Плюс винтовой пружины в том что ее почти невозможно сломать. При сжатии витки лягут друг на друга и рессорная пружина не не сломается, в крайнем случае пострадают только колеса, рамы и мосты. А рессора из-за прогиба может быть полностью разрушена. То же можно сказать и про растягиваемые винтовые пружины.
Существуют рессоры различных типов, рессоры бывают однолистовые, многолистовые и малолистовые. Многолистовые рессоры в России наиболее распространены поскольку благодаря им возможно поровну разделить нагрузки. В результате получатся жесткая конструкция и можно не использовать другие конструкции для удержания моста. Также все листы рессоры будут работать примерно одно и то же время т.к. находятся в сходных условиях. Другой плюс в том, что благодаря прогибу раскачка машины уменьшается. Часто это позволяет не пользоваться амортизаторами.
Чтобы сделать лист рессоры применяют углеродистую пружинную сталь. Чтобы сделать нужный прогиб листы рихтуют, а на заводах штампуют. Потом листы подвергаются термообработке. Рессора на автомобиль обычно крепится стремянками. Есть возможность крепления снизу и сверху.
Задание № 2
Для изготовления данной детали инструмента выбрана определенная марка стали (таблица 2):
а) расшифруйте состав и определите, к какой группе относится данная сталь по назначению;
б) назначьте режим термической обработки, приведите подробное его обоснование, обоснование, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки, данной стали;
в) опишите микроструктуру и главные свойства стали после термической обработки.
Таблица 2. Тема задания № 2
| № вар. | Деталь | Марка стали |
| 22 | Развертка | 9ХС |
Задание №3
Дайте полные ответы на вопросы из таблицы 3. Для иллюстрации ответов приведите необходимые графики, таблицы и рисунки.
Таблица 3. Тема задания № 3
| № вар | Вопрос |
| 22 | Чем отличается процесс цинкования от процесса цианирования? |
Процесс горячего цинкования – процесс, защищающий железо и сталь от образования ржавчины. В сущности, он предполагает погружение металлоконструкции с химически чистой поверхностью в ванну с расплавленным цинком, который реагирует с железом с образованием защитной пленки. Этот принцип остается неизменным в течение 150 лет существования процесса цинкования, но обширные исследования по всем аспектам технологии превратили современное цинкования в технически контролируемое производство.
В силу того, что расплавленный цинк не может вступать в реакцию с металлом или сталью покрытой вторичной окалиной или маслом, металлоконструкция перед погружением в расплавленный цинк должна пройти процесс очистки, который включает обезжиривание, пескоструйную очистку и кислотное травление. Затем металлоконструкцию покрывают флюсом для активации поверхности, что улучшает ее «смачивание» цинком и их взаимодействие при погружении. При извлечении конструкции избыток цинка стекает обратно в ванну. Оцинкованное изделие погружают в ванну с водой для охлаждения или оно остывает на воздухе.
Существуют два основных способа цинкования различающиеся по методу нанесения флюса. При цинковании с расплавленным флюсом материал после травления и промывки погружают в цинковую ванну, на поверхности которой плавает слой флюса. При сухом цинковании слой флюса высушивают на поверхности материала перед погружением в чистую ванну с расплавленным цинком.
Процесс оцинковывания состоит из трех основных этапов:
подготовка поверхности, оцинковывание и осмотр.
ГАЛЬВАНИЧЕСКОЕ ЦИНКОВАНИЕ
На сегодняшний день метод гальванического цинкования является самым распространённым способом защиты метизов от коррозии.
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ:
- крепёжные изделия;
- метизы;
- стальная сетка.
ПРЕИМУЩЕСТВА:
- низкая себестоимость процесса;
- достаточная степень защиты от коррозии.
НЕДОСТАТКИ:
- ограничение по размерам обрабатываемой конструкции (применяется для метизов и мелких крепежных деталей);
- слабая адгезия и пористость цинковых гальванических покрытий приводят к их малой долговечности;
- использование электролитов, содержащих кислоты, цианидов и других, химически активных соединений, заставляют применять методы нейтрализации и глубокой очистки отходов экологически опасного гальванического производства, строить дорогостоящие очистные сооружения, что, в конечно счете, нивелирует положительные качества этого высокопроизводительного технологически процесса.
ОГРАНИЧЕНИЯ:
- как правило, защита этим способом используется для различных марок углеродистых и легированных сталей.
- гальваническое цинкование в производстве применяется для защиты от коррозии изделий из проволоки и различного крепежа.
Процесс гальванического цинкования представляет собой химический процесс – электролиз, который включает следующие этапы обработки изделий:
- Изделие проходит обезжиривание необходимое для подготовки поверхности к эффективному действию травления. Изделия погружаются в раствор, для уничтожения масла и жиров, оставшихся после обработки;
- Промывка, осуществляемая в проточной ванне;
- Травление. Этап, который позволяет удалить с поверхности изделия окалину, ржавчину и оставшиеся продукты после обезжиривания. Проводится в растворе соляной кислоты и не растворяют основной металл;
- Промывка;
- Непосредственно само цинкование. Принцип защиты изделий на основе цинкового покрытия определяется разностью электрохимических потенциалов Zn и Fe. В ванну с щелочным электролитом погружается изделие, оно является катодом, анод- цинковая пластина. Анодное растворение цинковых электродов происходит в результате пропускания через электролит электрического тока с катодной плотностью от 1 до 5 А/дм². При прохождении тока через электролит положительно заряженные ионы цинка направляются к катоду (изделию) в результате чего происходит электроосаждение, формируя гальваническое покрытие толщиной от 4 до 20 мкм. В зависимости от условий протекания процесса, то есть от температуры и плотности тока структура и толщина покрытия могут быть различными;
- Промывка;
- Осветление. Позволяет снять окисную пленку. Проводится в растворе азотной кислоты.
- Промывка;
- Пассивация цинкового покрытия в растворе хроматирования, создание защитной пленки;
- Завершением процесса является промывка и сушка.
Цинковое покрытие значительно увеличивает срок использования изделия и снижает затраты при его техническом обслуживании и замене. Цинковое покрытие во влажной среде выступает в качестве анода, принимая на себя все пагубные процессы окислительных реакций и защищая тем самым основной металл изделия.
При такой технологии нанесения цинкового покрытия получается равномерное, блестящее покрытие.
В настоящее время в производстве для защиты изделий от коррозии применяется три способа гальванического цинкования: цианидное, щелочное и кислотное.
Наиболее популярной технологией гальванического цинкования является технология цинкования в слабокислых электролитах. Эта технология обладает высокой степенью укрываемости и улучшенным внешним видом цинкового покрытия. Этот метод, кроме того, снижает склонность цинкуемых изделий из углеродистых и легированных сталей к водородной хрупкости и позволяет цинковать детали сложной конфигурации, изготовленные как из стали, так и из чугуна.
В современном производстве этот способ нанесения защитного покрытия является самым распространенным среди производителей крепёжных изделий.
Цинкование в слабокислых электролитах позволяет получить наибольший декоративный эффект.
Изделия с защитным покрытием цинка, полученные по технологии слабокислотного цинкования, обладают высоким блеском, разнообразной цветовой гаммой и высокой коррозионной защитой.
Все гальванические технологии требуют высокого качества подготовки поверхности обрабатываемых изделий. Перед процессом цинкования необходимо проводить очистку поверхности от окалины, остатков технологической смазки, продуктов коррозии (ржавчины). После нанесения цинкового покрытия для большей стабильности и стойкости покрытие подвергают осветлению (декапированию – травлению в слабом растворе азотной кислотой) и пассивации. Пассивация придаёт цинковому покрытию не только дополнительную коррозийную стойкость, но и улучшает его декоративность, добавляя дополнительный блеск или окрашивая покрытие в разные цвета.
ГОРЯЧЕЕ ЦИНКОВАНИЕ
Горячие цинковые покрытия занимают второе место по объему цинковальных производств, а по качеству и долговечности этот тип покрытий является, на сегодняшний момент, одним из лучших.
ПРЕИМУЩЕСТВА:
- во время горячего цинкования сталь полностью погружается в расплавленный цинк и все ее поверхности остаются покрытыми, включая внутренние части, углы, щели и мелкие детали, труднодоступные с помощью других техник покрытия. Покрытие даже становится более толстым именно на углах и кромках, в отличие от того, что происходит при покрытии кистью или погружением при других типах защиты. Возможно защитить полностью, включая внутреннюю поверхность, трубы и полые элементы или, при необходимости, только их наружную часть;
- процесс горячего цинкования простой, тестируемый и легко контролируемый, в некоторый случаях автоматизированный. Результат верный и постоянный. Толщина может определяться в соответствии с совершенно точными техническими требованиями и, следовательно, срок службы покрытия можно определить в соответствии с функцией, для которой предназначено изделие и теми условиями внешней среды, в которой оно будет служить;
- низкая начальная стоимость и долговечность делают цинкование самой универсальной и экономичной системой защиты стали на долгий срок (20 лет и больше); имеется много преимуществ, связанных с долговечностью защиты и возможностью не вмешиваться с работами по уходу или по продлению сроков службы;
- горячее цинкование уменьшает проблемы доступа к отдаленным зонам, пересеченной местности и малодоступным конструкциям, имеющим очень близко расположенные друг к другу части; а также, когда существуют ограничения по безопасности; например, в случае опор электропередач;
- в некоторых обстоятельствах обслуживание может быть затруднено или невозможно из-за местоположения или из-за трудности или невозможности остановить работу установок с постоянным функционированием, как в случае нефтехимического оборудования, опор электропередачи или конструкций в труднодоступных зонах. В таких случаях расходы, относящиеся к срокам свыше 25 лет, ясно показывают выгоды горячего цинкования по сравнению с другими формами защиты;
- применение горячего цинкования отличается легкостью и вся защитная система может быть осуществлена в краткие сроки. Альтернативные системы, в особенности окраска, нуждаются в значительном использовании рабочей силы. Горячее цинкование высоко механизировано, позволяет в короткие сроки осуществить обработку большого количества стальных или железных изделий и позволяет осуществлять автоматический контроль в реальном времени. Не говоря уже о мертвом периоде, который обычно требуется для сушки после окрашивания. Относительно мало сказываются требования процесса цинкования, которые могли бы повлечь расходы на создание отверстий для выпуска и системы дренажа, чтобы избежать напряжений в структурах во время погружения. После оцинковки сталь готова к использованию. После монтажа не требуется подготовка поверхности, окраска, доделки и проверки. Таким образом, сроки строительства значительно сокращаются;
- время выполнения очень короткое, и это позволяет сэкономить деньги. Из-за необходимости выполнять работу на цинковальном производстве с вытекающими отсюда затратами на транспорт, для их сокращения часто выбирается производство, расположенное поблизости от маршрута между производителем и местом установки изделия;
- проверка толщины покрытия простая и быстрая, потому что речь идет в основном о визуальных проверках или проверках, осуществляемых с помощью магнитного или электромагнитного измерителя;
- природа процесса такова, что, когда покрытие представляется однородным и прочным, можно быть уверенными в том, что оно имеет именно эти характеристики. Пригодность покрытий, полученных путем горячего цинкования, самоконтролируемая; действительно, если металлическая поверхность для защиты не подготовлена наилучшим образом, реакция между сталью и расплавленным цинком не происходит и дефект немедленно обнаруживается. Типичные для цинкования расходы на контроль составляют меньше половины расходов на систему с многослойным красочным покрытием;
- при появлении необходимости в какой-либо починке после обработки цинкованием, местная обработка, осуществляемая по месту (термический спрей, аппликация сплава цинка или краски на основе цинка), проста в выполнении;
- может применяться ко всем изделиям из стали;
- процесс цинкования позволяет получать поверхности, на которых с трудом скапливаются отходы;
- возможно соединение разных компонентов структур с фрикционными муфтами, при сохранении оцинковки на контактирующих поверхностях;
- соединения болтами легко размонтируются - это большое преимущество на подвижных мостах с решетчатым соединением балок или в лестничных структурах;
- смонтированная структура погруженная в цинковую ванну, получается более прочной;
- долговечность.
НЕДОСТАТКИ:
- ограничение по размерам обрабатываемой конструкции;
- горячее цинкование по технологическим причинам образует так называемые наплывы, заливающие резьбовые соединения, что предопределяет необходимость последующей их механической калибровки, сводящей на нет их защитные свойства;
- трудность сварки по сравнению с незащищенной сталью;
- проблемы экологической безопасности, обусловленные наличием расплава цинка, применением химических методов подготовки поверхности;
- необходимость поддержания температуры расплава цинка в интервале 460-4800С приводит к неоправданным энергозатратам.
ОГРАНИЧЕНИЯ:
- на изделиях, имеющих скрытые полости, «карманы», замкнутые полости и элементы резьбы;
- для обеспечения свободного входа и выхода расплава цинка, а также подготовительных растворов для обезжиривания, травления, флюсования и промывки, необходимо предусматривать на металлоизделиях технологические отверстия, что ведет к усложнению технологии изготовления изделий и их удорожанию;
- к марке стали, подлежащей горячему цинкованию, т.е. принимаются металлоконструкции, изготовленные только из стали, содержащей углерод не более 0,24%.
Технология горячего цинкования состоит из двух этапов:
1. Подготовка поверхности к горячему цинкованию, заключается в следующем:
- ОБЕЗЖИРИВАНИЕ - материал погружается в горячий раствор (45 - 50 С) фосфорной кислоты;
- ТРАВЛЕНИЕ: материал погружается в холодный раствор HCl (10 - 15%) и FeCl2 (время травления 1,5 - 2,0 часа);
- ПРОМЫВКА: материал погружается в воду;
- ФЛЮСОВАНИЕ: материал погружается в горячий раствор (35 - 40 °С) хлорида цинка и аммония (двойная соль);
- СУШКА: траверсы с флюсованными материалами помещаются в камеру предварительного разогрева (70 - 90 °С), с рециркуляцией горячего воздуха, обеспечивающего полное высушивание материала - в сушильную камеру на две позиции;
ГОСТ 9.402 регламентирует степень очистки цинкуемой поверхности металлоконструкций от окалины и ржавчины;
Собственно цинкование металла, которое осуществляется погружением в ванну с горячим цинком подготовленного сухого изделия, на поверхности которого образуется Fe-Zn сплав, который и предохраняет от коррозии.
Во время подготовительных операций нужно иметь в виду, что на качество цинкования большое" влияние оказывает тщательность удаления окалины, ржавчины. С этой целью обычно применяют травление в серной или соляной кислотах с последующей промывкой в горячей и холодной воде.
Флюсование предназначено для удаления продуктов реакции железа с травильными растворами, окислов, а также для улучшения смачиваемости поверхности расплавленным цинком. Различают два способа флюсования и цинкования — мокрое и сухое.
При мокром операции цинкования и флюсования совмещаются в одной ванне таким образом, что изделие при погружении его в ванну с расплавленным цинком проходит через слой флюса, находящегося на поверхности цинка. Флюсом служит смесь расплава солей хлористого цинка (44,6 части по массе) и хлористого аммония (55,4 части), в которую добавляют различные органические и неорганические вещества: древесные опилки, отруби, глицерин и др., поддерживающие активность флюса.
При сухом цинковании флюс находится в отдельной ванне. В этом случае в качестве флюса используют один хлористый цинк, иногда с небольшой добавкой хлористое го аммония. После обработки в указанном составе изделия перед цинкованием предварительно высушивают при температуре 150...200° в специальных шкафах (камерах) до полного испарения влаги.
Применение того или другого метода флюсования зависит от конкретных условий производства и требований к получаемому покрытию.
При этом нужно иметь в виду, что цинкование по мокрому способу имеет следующие преимущества по сравнению с сухим:
- меньшую потребность в площадях;
- низкие капиталовложения;
- ограниченное образование цинковой золы;
- высокое травящее действие флюса, позволяющее исправлять дефекты обезжиривания и травления.
К недостаткам относятся:
- уменьшенная полезная площадь зеркала ванны из-за необходимости установки в ней флюсовой коробки;
- повышенное выпадение гарт-цинка;
- пониженное содержание алюминия в цинковом расплаве, способствующее образованию твердых, малопластичных цинковых покрытий.
При сухом способе цинкования уменьшается расход цинка на 30...50% по сравнению с мокрым цинкованием, могут быть получены более пластичные покрытия, уменьшается количество дефектов по флюсовым включениям. В то же время для получения качественных покрытий потребуются более тщательная подготовка поверхности стали (обезжиривание и травление), постоянный контроль содержания алюминия в расплаве цинка, необходимость частых анализов и корректировок состава флюса.
Перед погружением изделий в цинковый расплав поверхность расплава должна быть очищена от золы, нагара, окислов и других загрязнений. Время погружения должно быть минимальным. Во время цинкования детали необходимо перемещать до полного удаления воздуха, остатков флюса и обеспечения контакта жидкого цинка по всей площади деталей.
Продолжительность выдержки в расплаве включает время, необходимое для нагрева изделия до температуры расплава и для выкипания флюса. Детали извлекают из расплава по прекращении бурления цинка.
Толщина и равномерность цинкового покрытия во многом зависят от условий выгрузки изделий. При быстрой выгрузке могут образоваться толстые неравномерные слои покрытия. После цинкования изделия охлаждают в воде при 80...90°.
Ванны горячего цинкования изготавливают из стальных листов толщиной 25...50 мм с минимальным содержанием углерода и кремния. Емкость ванн зависит от размеров цинкуемых изделий.
ТЕРМОДИФФУЗИОННОЕ ЦИНКОВАНИЕ
Термодиффузионное цинкование является еще одной разновидностью цинкования.
Метод термодиффузионного цинкования (ТДЦ) известен достаточно давно. Впервые он был применен в Англии в начале ХХ века и получил название «шерардизация» (по фамилии изобретателя Шерарда), и впоследствии несколько подзабыт уступив место другим более высокопроизводительным на тот момент методам. Однако начиная с 90 –х годов интерес к нему вновь возрос.
Данный способ используют, если нуждаются в толщине слоя цинка свыше 15 мкм. В данном случае металлические изделия проходят такие же стадии, как и при горячем цинковании, с одним лишь отличием. В конечном итоге, металлоизделия загружаются в барабанную вращающуюся печь. В этих барабанах металл покрывается цинком менее чем за 4 часа.
Сущность метода состоит в образовании на поверхности железа цинкового покрытия за счет перехода атомов цинка при температурах выше 2600С в паровую фазу и проникновения в железную подложку; при этом образуется железноцинковый сплав сложной фазовой структуры. Образование такого покрытия возможно только при высоких температурах 400-4500С и в замкнутом пространстве реторт или муфелей, заполненных цинкуемыми деталями и цинкосодержащей порошковой смесью.
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ:
- цинкование метизов;
- цинкование труб, деталей трубопроводной арматуры;
- цинкование арматуры линий электропередач, элементов железнодорожных путей и контактной сети;
- цинкование дорожных и мостовых ограждений;
- цинкование автодеталей, мебельной фурнитуры;
- цинкование нефтяной арматуры и т.д.
Более технологичный, хотя менее производительный, чем горячее цинкование метод, заключающийся в следующем: слой цинка вследствие диффузии образует защитный слой на обрабатываемой поверхности. Применяются различные смеси для термодиффузионного цинкования. Диффузия цинка в железо происходит при температурах от 450 до 600°С. Этим методом цинковые покрытия наносятся, когда повышены требования к внешнему виду цинковых покрытий и их толщине. Например, на мелкие крепежные изделия (шайбы), в том числе с резьбовыми соединениями (гайки, шурупы, мелкие винты), так как при горячем цинковании мелких изделий повышается расход цинка и существует трудность в обеспечении однородности поверхности. Однако, для цинкования крупных крепежных изделий (болтов, шпилек) предпочтительнее использовать цинкование горячее, а не термодиффузионное.
ПРЕИМУЩЕСТВА:
- получаемое покрытие ровное беспористое и имеет высокую адгезию к подложке за счет диффузионного слоя;
- нет ограничения по химическому составу общераспространенных машиностроительных сталей и чугунов;
- высокая коррозионная стойкость;
- детали цинкуются в герметически закрытых ретортах, поэтому процесс экологически безопасен и не требует создания очистных сооружений, отходы производства (отработанные цинксодержащие смеси) не требуют захоронения;
- покрытие в точности повторяет профиль поверхности, однородно по всей площади и не требует дополнительной механической обработки для сопряжения размеров. Углубления, отверстия, трубопроводы, резьбовые детали не являются препятствием для равномерного распределения покрытия по рельефу изделия;
- увеличивает долговечность деталей благодаря присутствию в покрытиях интерметаллидных фаз, имеющих микротвердость 3500 - 5000 МПа, что превышает микротвердость стали, используемой для изготовления ответственных деталей. Покрытие обладает хорошим сопротивлением абразивному износу;
- защитная способность покрытия в 3-5 раз выше чем у гальванических покрытий и сравнима с покрытиями оцинкованными методом горячего цинкования;
- отличная свариваемость - цинк не выгорает за пределами зоны сварочного шва, не ухудшаются условия труда и качество сварки;
- отсутствие наводораживания в процессе нанесения покрытия и, соответственно, отсутствие водородной хрупкости у покрытых изделий;
- температура насыщения невелика, поэтому покрытие может быть нанесено на пружинные и другие предварительно термообработанные детали;
- великолепная адгезия с лакокрасочными покрытиями, пластмассами, резинами даже без использования грунтовок. Практически все виды промышленных красок хорошо ложатся на данное покрытие. Высокая адгезия увеличивает коррозионную стойкость, практически исключается вздутие и отслоение красок с поверхности. Срок службы деталей с двойным покрытием увеличивается, что приводит к значительной экономии при их эксплуатации;
- процесс может быть использован для нанесения покрытий на изделия, полученные по порошковой технологии, на пористые изделия, а также на предварительно собранные узлы;
- детали, подвергаемые цинкованию, требуют минимальных затрат на подготовку поверхности к покрытию. Допускается наличие на деталях пятен коррозии, остатков смазки;
- толщина покрытия может варьироваться в пределах от 15 до 100 мкм и более и определяется временем ведения процесса.
Согласно СНиП 2.03.11 – 85, термодиффузионные цинковые покрытия – самая надежная защита металлических конструкций от коррозии, рекомендованы для применения даже в сильноагрессивных средах, например, в морском строительстве в зонах периодического смачивания.
Коррозийная стойкость термодиффузионного цинкования по данным ГОСТ Р 9.316-2006 в 3-5 раз превышает стойкость гальванического цинкования, и также в 2-2,5 раза превышает стойкость горячего цинкования при использование в промышленной и морской атмосфере, что подтверждено многочисленными испытаниями. Такое покрытие продливает срок службы деталей, особенно подверженных воздействию агрессивных сред, до 40 - 50 лет.
Общие требования к качеству покрытий и методы контроля устанавливаются в ГОСТ Р 51163-98. Покрытие также соответствует иностранным стандартам: BS 4921:1988, ASTM B633, ASTM B695.
НЕДОСТАТКИ:
- отсутствие декоративных свойств у диффузионного цинкового покрытия (покрытие темно-серого серого цветов без блеска). Устраняться нанесением декоративно-защитных слоев лакокрасочных покрытий;
- при малых толщинах покрытия (до 30 мкм), появление бурого налета, обусловленного выходом из покрытия ионов железа. Устраняться нанесением декоративно-защитных слоев лакокрасочных покрытий;
- относительно небольшая производительность, лимитируемая объемами реторт для цинкования.
наличие вредных аэрозолей цинковой пыли.
ОГРАНИЧЕНИЯ:
- если термодиффузионное цинкование проводится при повышенной температуре (порядка 600°С) процесс происходит быстрее, однако становится не управляемым. При высокой температуре образуются соединения, которые не отличаются высокой коррозионностойкостью, это приводит к тому, что появляются дефекты цинкового покрытия на поверхности обрабатываемого изделия.
- если термодиффузионное цинкование проводится при низких температурах (порядка 450°С) происходит коагуляция расплава покрытия, появляются такие дефекты цинкового покрытия, как отсутствие покрытия, или неравномерность по толщине.
Общие требования по проведению процесса термодиффузионного цинкования и методы контроля закреплены в ГОСТ Р 51163 «Покрытия термодиффузионные на крепежных и других мелких изделиях».
Нитроцементация (газовое цианирование)
Общие сведений. При газовом цианировании, называемом нитроцементацией, осуществляется процесс одновременного насыщения поверхности стальной детали углеродом и азотом. Для этого детали нагревают в среде, состоящей из цементующего газа и аммиака, т. е. нитроцементация совмещает в себе процессы газовой цементации и азотирования.
По сравнению с жидкостным цианированием нитроцементация имеет следующие преимущества: 1) безопасность процесса (отсутствуют ядовитые цианистые соли); 2) возможность регулирования процесса (изменение количеств подаваемого цементующего газа и аммиака); 3) дешевизна процесса (стоимость цементующего газа и аммиака ниже стоимости цианистых солей).
По сравнению с газовой цементацией нитроцементация также имеет преимущества: более низкая температура процесса (840— 860° С вместо 900—950° С), меньшая продолжительность процесса, меньшее выделение сажи, большая износостойкость деталей, увеличение срока службы печи и уменьшение расхода топлива (удешевление процесса). Нитроцементацию разделяют на высокотемпературную (для деталей из конструкционных сталей) и низкотемпературную (для режущего инструмента из быстрорежущих сталей).
Высокотемпературную нитроцементацию деталей из углеродистых и легированных сталей проводят при температуре 820— 870° С (иногда до 950° С). Высокотемпературная нитроцементация широко внедряется в промышленность, вытесняя не только жидкостное цианирование, но и газовую цементацию благодаря повышенной износостойкости и коррозионной стойкости, возможности комплексной механизации с автоматическим регулированием процесса, более высокой прокаливаемости и закаливаемости нитроцементованного слоя, что позволяет заменять слож-нолегированные стали менее легированными и углеродистыми. На результат нитроцементации влияют температура, продолжительность выдержки и соотношение цементующего газа и аммиака. С повышением температуры увеличиваются толщина слоя и содержание углерода, а содержание азота в поверхностном слое (см. рис. 109) уменьшается. Газовым карбюризатором при нитроцементации является смесь эндотермического газа, природного газа и аммиака (табл. 13).
Образовавшиеся активные атомы азота и углерода адсорбируются поверхностью и диффундируют в глубь детали. При нитроцементации необходимо регулировать степень поверхностного
насыщения стали азотом и углеродом, что позволяет получить оптимальные механические свойства. Суммарное содержание азота и углерода определяется толщиной нитроцементованного слоя и химическим составом стали (табл. 14).
несколько изменяется. В связи с отсутствием приборов автоматического регулирования азотного потенциала атмосферы необходимо строго регламентировать подачу аммиака. Аммиак подают на последних стадиях насыщения.
Схема системы автоматического регулирования 21-поддонного безмуфельного агрегата при нитроцементации приведена на рис. 112. Контролируемый газ отбирается у деталей вдали от мест подачи газа в печь (обычно на стороне печи, противоположной
прекращая подачу городского газа. Расход городского газа контролируется ротаметром 14, При автоматическом регулировании процесса нитроцементации устанавливается постоянная подача эндогаза, аммиака и городского газа. Добавка городского газа, необходимая для поддержания заданного углеродного потенциала, осуществляется через систему автоматического регулирования. Так как нитроцементация проводится при более низкой температуре, разность углеродных потенциалов первого и второго периодов насыщения мала, поэтому при нитроцементации обычно не применяют ступенчатые режимы.
После нитроцементации детали подвергают непосредственной закалке (с подстуживанием). Для уменьшения коробления целесообразно проводить ступенчатую закалку в щелочной или масляной ванне, имеющей температуру 180—200° С. Так как азот увеличивает устойчивость переохлажденного аустенита и уменьшает критическую скорость закалки, можно применять ступенчатую закалку в горячих средах для крупных деталей.
В нитроцементованном слое при охлаждении в процессе закалки до температуры 20° С аустенит превращается в мартенсит; при этом в слое сохраняется большое количество остаточного аустенита (20—40%). Для более полного превращения остаточного аустенита в мартенсит применяют обработку холодом и дробеструйный наклеп (возможно одновременное применение этих методов), что позволяет повысить не только твердость, но и предел выносливости (в нитроцементованном слое возникают напряжения сжатия).
После нитроцементации и закалки детали подвергают низкому отпуску. Для деталей, твердость которых должна быть выше HRC 60, температура отпуска принимается равной 160— 170° С; для деталей твердостью HRC 57—58, работающих в условиях значительных ударных нагрузок, температура отпуска не ниже 200—210° С.
СО (32%)
(1—2%). При этом образуется некоторое количество аммиака; при температурах процесса он диссоциирует с выделением атомарного азота и водорода. Лучшие результаты получаются при применении триэтаноламина в смеси с водой (10%) (меньше выделение сажи и смолистых веществ). При разложении такой смеси в печи образуется газовая атмосфера с температурой в точке росы +9° С. Нитроцементацию триэтаноламином можно применять для деталей из конструкционных сталей (10, 20Х, 18ХГТ, 20Х2Н4А и Др.)> а также для инструмента из быстрорежущих сталей.
Оптимальная температура газового цианирования деталей триэтаноламином 860° С (в некоторых случаях температуру повышают до 920—940° С). После выдержки в зависимости от требуемой толщины слоя проводится непосредственная закалка в воду или масло (в зависимости от марки стали) и низкотемпературный отпуск. Для устранения избыточных количеств остаточного аусте-нита рекомендуется перед отпуском детали подвергать обработке холодом при минус 60° С. Чтобы в результате нитроцементации в поверхностном слое не было пересыщения углеродом и азотом и образования хрупких карбонитридных фаз, необходимо регулировать подачу триэтаноламина в печь. В качестве жидких карбюризаторов при проведении газового цианирования также можно применять керосин, пиробензол и синтин с добавками газообразного аммиака.
Для обеспечения достаточной циркуляции газа в рабочем пространстве печи необходима подача в печь технического азота. При отсутствии азота снижается толщина нитроцементованного слоя при одной и той же выдержке. При применении керосина для печи СШЦ-04.09/10 оптимальным является следующий расход компонентов, подаваемых в печь: 43—49% керосина, 14— 17% аммиака, 34—43% технического азота. При подаче жидкого карбюризатора в печь его расход измеряют в кубических сантиметрах в час (объем капель у различных капельниц неодинаков). Газовое цианирование триэтаноламином при 920—940° С по сравнению с газовой цементацией керосином повышает скорость процесса на 30—50%, а износостойкость поверхностного слоя примерно в 1,5 раза, облегчает и удешевляет производство, создает более безопасные условия труда.
Свойства, структура и дефекты нитроцементованной стали. Благодаря присутствию азота нитроцементованная сталь обладает более высокими механическими свойствами, чем цементованная сталь. Поэтому толщина слоя при нитроцементации должна быть меньше, чем при цементации, и значительно повышается предел прочности при изгибе и растяжении.
При небольших толщинах слоя предел выносливости цементованной и нитроцементованной сталей одинаков, но при большой толщине слоя предел выносливости нитроцементованной стали выше. После нитроцементации с непосредственной закалкой сталъ имеет более мелкое зерно, чем после цементации, что уменьшает склонность к хрупкому разрушению и повышает также предел выносливости. Ударная вязкость стали после цементации и нитроцементации примерно одинакова. Нитроцементованный слой обладает хорошей износо- и коррозионностойкостью. Но коррозионная стойкость нержавеющих сталей (14Х17Н2, 12X13) после нитроцементации снижается. По сравнению с цементацией при нитроцементации значительно повышается прокаливаемость и закаливаемость диффузионного слоя за счет легирования аусте-нита азотом. Применение ступенчатой закалки уменьшает коробление и позволяет уменьшить припуск на шлифование.
Повышенная прочность связана с влиянием азота на свойства стали. Влияние азота тем эффективнее, чем ниже температура нитроцементации. После медленного охлаждения микроструктура нитроцементованного слоя отличается от микроструктуры цементованного слоя наличием отдельных включений карбонитри-дов или тонкой поверхностной карбонитридной корочки. Оптимальной структурой после закалки и низкого отпуска является структура мелко или среднеигольчатого мартенсита с тем или иным (20—40%) количеством остаточного аустенита (рис. 113).
Повышенное содержание остаточного аустенита приводит к снижению контактной и усталостной прочности. На количество остаточного аустенита влияют температура нитроцементации, химический состав стали и суммарное содержание азота и углерода. Азот, присутствуя в слое, значительно повышает количество остаточного аустенита в легированных сталях. Так, в сталях с содержанием никеля 3,25—3,75% (12Х2Н4А, 20Х2Н4А) в закаленном слое сохраняется до 60—70% остаточного аустенита. Поэтому предельное содержание никеля в сталях должно быть не более 1,2%. Суммарное содержание углерода и азота должно быть в требуемых пределах (см. табл. 14). Снижение содержания углерода приводит к образованию структуры низкоуглеродистого мартенсита с трооститом. При увеличении содержания углерода возрастает количество остаточного аустенита и появляется карбонитридная фаза, снижающая устойчивость аустенита в связи с переходом азота и углерода в карбонитриды. При этом на поверхности появляется трооститная сетка (рис. 114). Присутствие карбонитридов в слое снижает также сопротивляемость ударным нагрузкам в результате охрупчивания слоя. При содержании азота в слое менее 0,1% вследствие внутреннего окисления происходит обеднение твердого раствора легирующими элементами и появляются продукты немартенситного превращения аустенита (трооститная сетка).
С повышением содержания азота в поверхностном слое появляется дефект в виде темных пятен, хорошо видных только на нетравленых шлифах, называемый темной составляющей (рис. 115). Темная составляющая представляет собой поры, возникающие
при большом давлении молекулярного азота в слое и заполненные окислами, образовавшимися в результате развития внутреннего окисления в эндотермических атмосферах. Этот дефект является необратимым и не устраняется повторной фазовой перекристаллизацией. Наличие темной составляющей снижает предел выносливости на 45—75%. Этот дефект наблюдается только при содержании азота в слое более 0,5%, поэтому содержание азота 0,45% считается предельным.
Дефектом нитроцементованного слоя является также и обезуглероживание, которое снижает предел выносливости на 20— 25%. Обезуглероживание может происходить при снижении углеродного потенциала в конце процесса, при нарушении соотношения углеродсодержащих и азотирующих компонентов газовой атмосферы, при передаче деталей из печи по воздуху в закалочный бак.
На механические свойства нитроцементованного слоя влияет процесс деазотирования. Азот, находящийся в стали в твердом растворе или в виде нитридов, при нагреве обладает способностью улетучиваться. При нитроцементации в первый период процесса происходит одновременное насыщение углеродом и азотом. Во втором периоде насыщение азотом приостанавливается, и даже при постоянном составе газовой среды концентрация азота на поверхности диффузионного слоя снижается. Деазотирование увеличивается с повышением температуры и длительности выдержки- При охлаждении на воздухе и повторных нагревах под закалку деазотирование достигает 90%. Поэтому высокие механические свойства стали могут быть получены только при непосредственной закалке после нитроцементации.
Задание №4
Расшифруйте состав и определите, к какой группе относится данный сплав (таблица 4) по назначению и где он используется; укажите основные механические свойства данного сплава.
Таблица 4. Тема задания № 4
| № варианта | Сплав |
| 22 | В95 |
Задание №5
Опишите способы получения, свойства и применение указанного в таблице 5 материала.
Таблица 5. Тема задания № 5
| № вар | Материал |
| 22 | Магнитная неметаллическая керамика |
Керамика (с греч. – глина) – изделия и материалы, получаемые спеканием глин и их смесей с минеральными добавками, а также оксидов и других неорганических соединений. Издавна получила широкое распространение во всех областях – в быту (посуда), строительстве (кирпич, черепица, трубы, плитки и т.д.), в технике (конструкционные материалы, для режущего инструмента, деталей, работающих на истирание при одновременном нагреве, для футеровки емкостей для химически агрессивных веществ, огнеупорных деталей, электроизоляционных изделий), в скульптуре и прикладном искусстве.
Основными технологическими видами керамики являются терракота, фаяне, каменная масса и фарфор.
Задание №6
Вычертите диаграмму состояния системы (таблица 6). Опишите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состояниях, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы состояния и объясните характер изменения свойств сплавов.
Таблица 6. Тема задания № 6
| № варианта | Диаграмма состояния системы |
| 22 | Свинец-сурьма |
Выше линии АСВ все свинцово-сурьмистые сплавы находятся в жидком состоянии. Линия АСВ соответствует началу затвердевания сплавов и называется линией ликвидуса (ликвидус — «жидкий»). Линия ВСЕ соответствует концу затвердевания сплавов и называется линией солидуса (соладус — «твердый»). Ниже этой линии все сплавы «находятся в твердом состоянии.
По линии АС из сплавов, содержащих менее 13% сурьмы, начинает кристаллизоваться чистый свинец, па линии СВ из сплавов, содержащих более 13% сурьмы, начинает кристаллизоваться чистая сурьма.
В точке С, отвечающей составу 13% Sb и 87% Pb, одновременно кристаллизуются и свинец и сурьма с образованием тонкой «механической смеси кристаллов Sb и Pb. Такая структура называется эвтектикой. Сплав, соответствующий точке С, называется эвтектическим и характеризуется самой низкой температурой плавления по сравнению со всеми сплавами Pb—Sb. Сплавы, по составу лежащие левее точки С, называются доэвтектическими, а правее — заэвтектическими.
Рассмотрим процессы кристаллизации доэвтектического сплава, содержащего 5% Sb, и заэвтектического, содержащего 40% Sb.
Доэвтектический сплав выше линии ликвидуса АС находится в жидком состоянии. Когда сплав при охлаждении достигает линии АС, начинают образовываться кристаллы чистого свинца. Процесс продолжается до температуры 246°С (линия DCE). При этом в жидкой части сплава будет возрастать содержание сурьмы и при достижении эвтектической температуры 246 С жидкая часть сплава, соответствующая по составу точке С (13% Sb + 87% Pb), затвердевает, образуя эвтектику, состоящую из кристаллов Sb и Pb. Аналогично происходит затвердевание всех доэвтектических сплавов. Ниже линии солидуса (246°С) сплавы имеют структуру, которая состоит из кристаллов свинца, выделившегося в интервале температур от линии ликвидуса до линии солидуса, и эвтектики, образовавшейся при окончательном затвердевании сплавов на линии солидуса.
Заэвтектический сплав с содержанием 40% Sb выше линии ликвидуса СВ находится в жидком состоянии, и, когда он при охлаждении достигает линии СВ, образуются кристаллы сурьмы, которые продолжают выделяться до линии СЕ (246°С). Рис. 15. Диаграмма состояния-В интервале температур сплавов медь-никель между линиями ликвидус и солидус количество кристаллов Sb непрерывно растет, а жидкая часть сплава меняет свой состав; при температуре 246 °С жидкая часть сплава имеет состав, соответствующий точке С (13 % Sb + 87 % Pb), и кристаллизуется с образованием эвтектики. Аналогично затвердевают все заэвтектические сплавы. Только один сплав этой системы— сплав с эвтектической концентрацией (13% Sb + + 87% Pb) затвердевает при одной и той же температуре (246 °С) с образованием структуры, состоящей только из эвтектики без избыточных кристаллов чистого компонента.
Задание №7
Вычертите диаграмму состояния железо – карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую нагревания или охлаждения (в зависимости от задания) в указанном интервале температур для сплава, содержащего данное в таблице 7 количество углерода. На кривой охлаждения или нагревания укажите количество степеней свободы на каждом участке кривой подсчитав их в соответствии с правилом фаз. Для заданного сплава определите количественное соотношение фаз в соответствии с правилом отрезка при температуре, указанной в таблице 7.
Таблица 7. Тема задания № 7
| № вар. | Кривая | Интервал температур, °С | Количество углерода, % | Температура °С |
| 22 | Охлаждения | 1600-20 | 2,5 | 1250 |
Задание №8
Дайте полные ответы на практические вопросы следующего задания, приведенные в таблице 8.
Таблица 8. Тема задания № 8
| № вар. | Вопрос |
| 22 | На изделиях из стали 15 требуется получить поверхностный слой высокой твёрдости. Приведите обоснование выбора метода химико-термической обработки, опишите его технологию и структуру изделия после окончательной термической обработки. |
Для получения поверхностного слоя высокой прочности сталь 15 нужно подвергнуть среднетемпературному цианированию.
Цианирование – это процесс диффузного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при температуре 820–950°С в расплавленных солях, содержащих группу NaCN.
Технология процесса
Изделие нагревают до 820–860 0С в расплавленных солях, содержащих NaCN. Для получения слоя небольшой толщины (0,15–0,35 мм) процесс ведут при температуре 820–860 0С в ваннах (20–25% NaCN, 25–30% NaCl и 25–50% Na2CO3). Продолжительность процесса обусловлена требуемой толщиной слоя и составляет 30–90 мин.
Цианистый натрий в процессе цианирования окисляется кислородом воздуха, и происходят следующие реакции:
2NaCN + O2 2NaCNO;
2NaCNO + O2 Na2CO3 + CO + 2N;
2CO CO2 + C
 |
Fγ(C) Fe(N)
Выделяющийся атомарный углерод и азот диффундируют в сталь. Цианированный слой, полученный при температуре 820–860 0С, содержит 0,7% С и 0,8–1,2% N.
Цианирование при указанных сравнительно невысоких температурах позволяет выполнить закалку непосредственно из цианистой ванны. После закалки следует низкотемпературный отпуск (180–2000С). Твердость цианированного слоя после термической обработки HRC 58–62.
Цианированный слой по сравнению с цементированным обладает более высокой износостойкостью и эффективно повышает предел выносливости. Недостатком такого способа является высокая стоимость, ядовитость цианистых солей и необходимость в связи с этим принятия специальных мер по охране труда.
