Лабораторная работа

ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ДЕТАЛЕЙ ПОСЛЕ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ
Цель работы: изучение технологии поверхностного упрочнения структуры и свойств упрочненных деталей железнодорожного подвижного состава и дорожных машин.
Задание и порядок выполнения работы
Бригада из трех-четырех студентов получает микроскоп и коллекцию шлифов. При их исследовании необходимо обращать внимание на характерные особенности структуры упрочненного слоя и сердцевины детали, а также оценивать глубину упрочненного слоя с учетом используемого увеличения на микроскопе.

Структуры в деталях зарисовывают несколько стилизовано в бланке отчета, а свойства упрочненного слоя и сердцевины и назначение способа упрочнения необходимо взять из табл. 4.
Теоретическая часть работы
Многие детали подвижного состава и дорожных машин преимущественно испытывают износ, коррозию и силовые воздействия с поверхности на глубину от нескольких десятков микрометров до нескольких миллиметров. Сердцевина деталей остается чаще всего слабо нагруженной или испытывает только напряжения динамического характера, т.е. она должна быть, прежде всего, вязкой.

Для таких деталей технически нецелесообразно использовать дорогие легированные стали, а проще и дешевле их изготовлять из обычных углеродистых или малолегированных сталей, подвергая особому упрочнению только поверхностный слой металла.

В практике ремонтных предприятий ОАО «РЖД» наибольшее распространение получили следующие методы поверхностного упрочнения:

• 
  механический – без изменения фазового состава стали, а лишь за счет деформации структуры и повышения плотности дислокаций, т.е. наклепа;
  
• 
  термический – путем поверхностной закалки с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ), газопламенной горелкой и другими источниками энергии высокой плотности (≥ 4-5 кВА/см²);
  
• 
  химико-термический – путем насыщения поверхностного слоя металла детали углеродом, азотом и другими элементами с предшествующей или последующей термообработкой при необходимости;
  

Таблица 4

---

Свойства материала после поверхностного упрочнения

Способ упрочнения	Наименование детали	Марка материала (ГОСТ)	Механические характеристики на поверхности:			Механические характеристики в сердцевине
			твердость	относительное удлинение, %	твердость НВ, МПа		относительное удлинение, %
Обкатка (накатка)	Ось вагонная	ОС (ГОСТ 4728-96)	НВ ≤ 3200 МПа	≈ 10	2290		≈ 17
Закалка ТВЧ	Ведомое зубчатое колесо прямозубой передачи привода тепловоза	45Х2НА (ГОСТ 4543-71)	HRC = 54-58	≈ 1	2500		10-12
Цементация	Ведомое зубчатое колесо прямозубой передачи привода тепловоза	20Х2Н4А (ГОСТ 4543-71)	HRC ≥ 62	0	≈ 2200		10-12
Нитроцементация	Коническая шестерня редуктора отбора мощности от торца оси колесной пары на генератор вагона	12ХН3А (ГОСТ 4543-71)	HRC = 64-66	0	≈ 1800		≈ 15
Азотирование	Гильзы ДВС, штоки гидроцилиндров	38Х2МЮА (ГОСТ 4543-71)	HV = 1000-1100 МПа	0	≈ 3000		≈ 10
Сульфоционирование	Накладка вертикального скользуна тележки вагона	Ст2сп (ГОСТ 380-2005)	HV = 720-860	0	1300-1400		25-30
Борирование	Шестерни нефтяного насоса, фильеры	20Х (ГОСТ 4543-71)	HV = 1600	0	1400		15-20
Хромирование сплошное	Компрессионные кольца ДВС	СЧ 32 (ГОСТ 1412-85)	HV = 600-650	0	1870-2690		≈ 0,5
Железнение сплошное	Валик рессорного подвешивания тепловоза	45 (ГОСТ 1050-88)	HV ≈ 600	0	3750-4290		≈ 4

---

• 
  электролитический (гальванический) – с использованием жестких режимов процесса, приводящих к осаждению не только необходимого металла, например Сг и Fe, но и Н, который во много раз повышает твердость этих металлов (до HV = 600-650).
  

Каждый из этих методов в данной лабораторной работе иллюстрирован одним-двумя конкретными способами.
Обкатка (накатка) деталей
Этот способ относится к механическому методу упрочнения, например штоков гидравлических гасителей колебаний, осей локомотивов, вагонов и т.д.

В качестве примера рассматривается упрочненная обкаткой роликом деталь из стали марки ОС. У поверхности детали сохраняется такая же ферритно-перлитная структура, как и в сердцевине, но сильно деформированная и вытянутая в направлении движения ролика.

Обкатка незначительно повышает твердость и износостойкость стали (см. табл. 4), но заметно уменьшает шероховатость поверхности детали и создает сжимающие остаточные напряжения, способствующие увеличению срока службы на усталость в несколько раз.
Закалка ТВЧ
Этот способ иллюстрирует термический метод упрочнения, например ведомых зубчатых колес прямозубой передачи привода тепловоза, серег люлечного подвешивания вагонов метрополитена и т.д.

Зубчатые шестерни крупномодульные (m ≥ 10 мм) локомотивов изготавливают из легированной стали марки 45Х2НА, улучшенной в заготовке. Затем их подвергают закалке ТВЧ по впадинам через две на третью в три оборота колеса на полуавтомате. Это необходимо для уменьшения деформации шестерни при закалке. Температура закалки ТВЧ примерно 890-910 °С, охлаждение через массу на воду. По окончании закалки выполняется низкий отпуск при температуре 210 °С с целью снижения закалочных напряжений.

Закаленный слой толщиной 3-5 мм имеет структуру мартенсита, на границе упрочненного слоя просматривается структура гнезд троостита закалки, а в сердцевине – сорбит улучшения.

Закалка ТВЧ резко повышает твердость и износостойкость поверхностного слоя детали (см. табл. 4), а улучшенная сердцевина обеспечивает высокую стойкость к изломам и сколам шестерни.
Цементация и нитроцементация деталей
Эти способы относятся к химико-термическому методу упрочнения.

При цементации поверхностный слой детали, изготовленной из малоуглеродистой стали

---

, например марок СтЗсп, 15, 20, 12ХНЗА, 20Х2Н4А и др., насыщается в активной среде при температуре ≥ 900 °С углеродом до 1...1,1% со скоростью 0,25-0,3 мм/ч. Затем детали подвергают объемной одинарной (неответственные) или двойной закалке при температурах:

880-900 °С – для исправления структуры сердцевины;

760-800 °С – для упрочнения поверхностного слоя.

Заключительными операциями после закалки являются обработка холодом (особо ответственные детали) в парах жидкого азота при температуре примерно -170 °С и низкий отпуск при температуре 160-180 °С в течение 2-3,5 ч.

Структуры упрочненного слоя:

• 
  непосредственно после цементации в наружном слое заэвтектоидного состава наблюдается перлит и разорванная сетка цементита вторичного. Ниже находится чисто перлитный слой с переходом постепенным к ферритно-перлитной структуре дозвтектоидной стали в сердцевине;
  
• 
  после полной термообработки в наружном слоя наблюдается мартенсит с незначительными включениями цементита вторичного, затем постепенно структура изменяется до троостита и сорбита закалки. В сердцевине детали ферритно-перлитная структура размельчается, а самое главное – перлит становится сорбитообразным.
  

Свойства упрочненного слоя иллюстрированы в табл. 4 на примере ведущего зубчатого колеса прямозубой передачи привода тепловоза.

При нитроцементации в печь, помимо углеводорода, подают диссоциированный аммиак, что приводит к насыщению наружного слоя детали азотом до образования нитридных включений типа Fe₂N. Насыщение ведут при температуре 850-870 °С со скоростью примерно 0,35 мм/ч; объемная закалка выполняется непосредственно из цементационной печи, а затем – низкий отпуск при температуре 160-180 °С около 2 ч.

Структура нитроцементованной стали отличается от структуры цементованной стали только тем, что у самой поверхности вместо цементита вторичного будут наблюдаться иголочки Fe₂N. Свойства упрочненной детали см. в табл. 4.

Следует обратить внимание на то, что после цементации и нитроцементации выполняется объемная закалка, а деталь упрочняется преимущественно только у поверхности. Это обусловлено различным содержанием углерода на поверхности и в сердцевине детали.
Азотирование
Это химико-термическое насыщение азотом поверхностного слоя детали до получения слоя нитрида FeN с физической твердостью до HV 1100, высокой износостойкостью и стойкостью против коррозии и газовой эрозии. Процесс довольно дорогой, так как очень длительный (скорость насыщения 0,01 мм/ч), поэтому используется на транспорте и в дорожных машинах ограниченно: гильзы ДВС, штоки навесных механизмов и подобные детали.

---

Для этих деталей специально разработаны стали марок 38ХМЮА и 38Х2МЮА, которые предварительно улучшаются насквозь, после чего выполняется механическая обработка с припусками в несколько микрометров.

Азотирование производят в диссоциированном аммиаке при температурах 520-560 °С. После азотирования термообработка не требуется. Детали подвергаются только хонингованию для сверхточной доводки упрочненных поверхностей.

В структуре азотированной детали на поверхности наблюдается четко слой FeN, который опирается на подстилающий слой эвтектоида с фазовым составом α + Fe₃C + Fe₂N. В сердцевине детали структура представляет собой сорбит улучшения. Возможное наличие остаточного феррита свидетельствует о том, что при улучшении в заготовке была занижена температура закалки (940-960) °С.

Свойства азотированной гильзы ДВС см. в табл. 4.
Сульфоцианирование
Выполняется этот процесс для деталей стальных и чугунных, когда нужно получить низкий коэффициент сухого трения, например вертикальные скользуны тележек вагонов, подпятники полушаровидные электровозов, диски муфты сцепления мощных тракторов и т. д. Вариантов технологии много, но наиболее простой в осуществлении следующий: в ящик закладывают детали и обсыпают смесью 25% K₃Fe(CN)₆, 25% Na₂S₂O₃∙5H₂O и 50% шамотной пыли. Закрытые ящики уплотняют огнеупорной глиной и нагревают в любой печи до температуры 560 °С. За один час насыщения получается слой толщиной около 0,25 мм, насыщенный серой, углеродом и азотом.

Структура упрочненного слоя представляет собой эвтектоид с фазовым составом α + Fe₃C + Fe₂N, в котором присутствуют нитрид FeN и сульфид FeS, служащий естественной смазкой, что снижает коэффициент сухого трения до 0,06-0,08, а это сопровождается повышением срока службы пары трения в несколько раз. Свойства упрочненного слоя см. в табл. 4.
Борироваиие и бороцементация
Это процесс создания сверхупрочненного слоя боридов или борокарбидов на поверхности детали электролизным способом.

В расплав солей – ангидрид бора + бура или ангидрид бора + бура + сода – помещают деталь вместо катода. Анодом служит графитовый стержень. При плотности тока 20 А/дм

---

Смотрите также файлы

• Подбор состава тяжелого бетона.doc

• Задача 2 (Задание 1). Двоичным эквивалентом десятичного числа 101 является 1) 101 2 2) 110101 2 3) 1010011 2.docx

• Практическая работа 2 Задание 1.docx

• Исследование характеристик усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером. Исходные данные.docx

• Классификация информационных систем.docx