Формирование структуры диффузионного слоя в стали

Анализ недостатков современных способов ХТО сталей целесообразно провести на примере наиболее распространенного процесса поверхностного упрочнения - цементации (табл.3.1).

Таблица 3.1 - Режимы диффузионного насыщения стали углеродом из расчета 0,1мм/1час.

Вид ХТО	Насыщающая среда	Температура насыщения,?С	Длительность Насыщения,ч	Толщина Слоя,мм
Цементация в твердом карбюризаторе	1. Древесный уголь в смеси с 20-25% ВаСОз и 3-5% СаСОз (ГОСТ 2704-66)	930-950	4-15	0,5-1,5
	2. Каменноугольный полукокс в смеси с 10-15% ВаСОз и 3,5% СаСОз (ГОСТ 5535-76)	930-950	4-15	0,5-1,5
Газовая цементация	1. Эндотермическая атмосфера (20% СО, 40% Н2, 40% N2) и до 5% СН4.	930-950	6-10	0,7-1,5
	2. Экзо-эндогаз (20% СО, 20% Н2, 60% N2) и до 5% СН4.	930-950	6-10	0,7-1,5
	3. Газы получаемые из керосина, синтина и др. углеводородов.	930-950	4-10	0,8-1,6
Цементация в жидком карбюризаторе	78-85% Nа2СОз (или К2СОз)+10-15% NaCl + 6-8% SiC	870-900	0,5	0,1-0,2

Из приведенных данных видно, что для достижения необходимой толщины диффузионного слоя требуется высокая температура процесса насыщения [6,8].

Использование операций термической обработки (двойной закалки, закалки из межкритического интервала температур, нормализации, высокого отпуска и др.) в процессе ХТО предназначено не только для достижения требуемого комплекса эксплуатационных свойств упрочняемых изделий, но и для устранения нежелательных дефектов структуры, поверхностного слоя стали, или для улучшения условий последующего процесса насыщения: достижение исходного мелкозернистого строения стали и снятие внутренних напряжений, которые могут служить источником повышенного коробления и деформации изделия в процессе насыщения.

Анализ примеров возникновения структурных дефектов поверхностного слоя сталей при диффузионном насыщении углеродом и известных методов их устранения показывает, что длительная выдержка при высокотемпературной цементации и неправильно выбранный режим последующей термической обработки приводят к образованию аномальной структуры цементованного слоя, появлению в нем грубой сетки цементита, структурно свободного феррита в виде сетки, окружающей сетку цементита, или в виде отдельных включений, темной составляющей, повышенного содержания остаточного аустенита и других дефектов.

Образование цементитной сетки можно предупредить ступенчатым температурным режимом насыщения, либо выдержкой в насыщающей среде с низким углеродным потенциалом.

Основными недостатками технологии традиционных методов ХТО сталей являются большая продолжительность процессов диффузионного насыщения и необходимость применения дополнительной термической обработки с соблюдением строго регламентированных технологических режимов. Кроме того, еще одной актуальной задачей технологии ХТО является уменьшение деформации обрабатываемых изделий, т.к. это оказывает существенное влияние как на качество и работоспособность упрочняемых изделий, так и на технологичность их изготовления.

Деформация и коробление изделий при ХТО связаны с объемными изменениями вследствие структурных превращений в стали, например, из-за различия удельных объемов структурных составляющих до и после закалки. Источником коробления являются так же напряжения, возникающие в изделии при нагреве и охлаждении, при фазовых превращениях и в результате предшествующей обработки. Значительное влияние на коробление оказывают прокаливаемость и размер зерна стали. Для уменьшения коробления необходимо использовать стали с регламентированной прокаливаемостью и гарантированным размером наследственного зерна. Эффективными путями регулирования напряжении для уменьшения деформаций и коробления обрабатываемых изделий являются методы предварительной термической обработки и способы, предусматривающие определенные режимы нагрева и охлаждения, например, использование после насыщения ступенчатой или изотермической закалки в расплаве солей.

Несмотря на имеющиеся недостатки технологии, метод ХТО стальных изделий является наиболее эффективным способом поверхностного упрочнения ответственных деталей, обеспечивающим их высокую конструктивную прочность, долговечность в эксплуатации. Поэтому, для повышения эффективности технологии ХТО наиболее важными задачами являются: интенсификация процессов диффузионного насыщения; повышение комплекса механических и служебных свойств, за счет достижения оптимального структурного строения упрочняемого слоя и сердцевины изделия; снижение уровня деформации и коробления обрабатываемых изделий.

3.2 Термоциклическая обработка

Применяемые в настоящее время методы интенсификации процессов ХТО можно условно разделить на две основные группы: методы, основанные на варьировании традиционных параметров ХТО (температуры, давления, расхода и состава среды и др.) и методы, основанные на физическом воздействии извне на металл или активную среду (электронагрев, электрический разряд, ультразвук, упруго-пластическое деформирование, электронный удар и др.). При этом под электронагревом следует понимать все его модификации: индукционный (ТВЧ и ТПЧ), контактный, нагрев в электролите, использование электротермического кипящего слоя и другие.

Большинство указанных методов является комплексными, т.е. оказывают одновременное воздействие на протекание всех стадий процесса ХТО.

Однако, наибольший интерес представляют методы, интенсифицирующие диффузионную стадию процесса ХТО.

Анализ многочисленных исследований Забелина С.Ф., Лахтина Ю.М. и других, показывает, что толщина диффузионного слоя, определяющая глубину упрочненного слоя, зависит от: температуры и продолжительности процесса насыщения; величины концентрации насыщаемого элемента на поверхности и перепада концентрации С% по глубине слоя; состава стали.

Наиболее действенным способом ускорения процессов диффузионного насыщения является повышение температуры. С ее повышением возрастают как диффузионная подвижность элементов, так и их химическая активность, т.к. и коэффициент диффузии и константы скорости химических реакций связаны с температурой экспоненциальной зависимостью. Однако, повышение температуры процесса насыщения (выше 900 °С) приводит к сильному росту зерна стали, снижению механических свойств слоя и сердцевины, повышенному короблению изделий, а также приводит к образованию ряда структурных дефектов упрочняемого слоя: цементиной сетки.

Предупредить рост зерна и образование дефектов структуры поверхностного слоя сталей при использовании ускоряющего влияния температуры на диффузионные процессы позволяют методы предварительной термической обработки [13] или ступенчатого температурного режима насыщения [10].

Применение циклического режима позволяет увеличить толщину цементованного слоя в 1,8 раза по сравнению с изотермическим режимом насыщения.

Анализ многочисленных исследований [15], посвященных вопросам интенсификации процессов диффузионного насыщения, показал, что основную роль в ускорении этих процессов играют структурное строение и неравновесное состояние насыщаемого материала. Интенсификация процессов насыщения объясняется достижением весьма активированного состояния стали за счет получения мелкодисперсной структуры и субструктуры с повышенной концентрацией дефектов кристаллического строения (вакансий, дислокаций и др.) и наличием в стали значительных внутренних напряжений, возникающих при воздействии температурного и силового полей, т.е. наличием условий, облегчающих протекание процессов диффузии.

3.2.1 Сущность термоциклической обработки

Метод ТЦО как способ термообработки (ТО) основан на постоянном накоплении от цикла к циклу положительных изменений в структуре металлов. При этом важной особенностью цикла является его интенсивность, отсутствие или наличие небольших выдержек при крайних температурах, а также оптимальный диапазон изменения температуры [10].

Современное оборудование позволяет вести процесс со скоростью нагрева от десятых долей градуса в секунду (печной нагрев) до сотен (нагрев с помощью ТВЧ). Температурный диапазон зависит от назначения термического воздействия, физико-механических и теплофизических свойств материала, а также от его структурного состояния. С другой стороны, варьируя число циклов, которое является величиной в значительной степени ограниченной, так как речь идет о технологическом термоциклировании, возможно достижение принципиально различных структур, а следовательно и свойств.

Термоциклическая обработка основана на многократном прохождении структурных превращений. Так, если при обычных видах ТО, включающих изотермические выдержки, структура характеризуется начальным и конечным состояниями, то при ТЦО структура перед каждым новым циклом разная, что влияет на условия прохождения последующих фазовых превращений, их механизм и кинетику. При этом за счет накопления структурных изменений материал может приобретать структуру, которая недостижима при обычных видах ТО.

Фазовые и структурные превращения сопровождаются образованием, перемещением и аннигиляцией точечных и линейных дефектов, а также перераспределением легирующих элементов. Интенсивность процессов зависит от многих технологических факторов, в том числе от температурного интервала, скоростей нагрева и охлаждения, числа превращений и др. В результате многократной аустенитизации, из-за разницы удельных объемов превращенных фаз в металле протекают процессы, свойственные нагреву слабодеформированных металлов, а именно: диффузия точечных дефектов и их сток в дислокации и границы с попутной частичной их аннигиляцией; перераспределение дислокаций; формирование малоугловых границ; миграция малоугловых границ с поглощением дефектов.

При ТЦО не все процессы, свойственные нагреву слабо деформированных металлов, протекают одновременно, а именно в силу непрерывности изменения температуры могут идти одни, тормозиться другие и развиваться третьи.

В основе ТЦО, так же как и при «динамическом» старении, лежат процессы, связанные с возникновением и релаксацией напряжений, накоплением дефектов кристаллического строения, развитием субструктуры, что эффективно влияет на распад твердого раствора.

Характерные для ТЦО структурные изменения могут быть усилены путем пластической деформации. Как известно, пластическая деформация перераспределяет и повышает плотность несовершенств кристаллического строения -- дислокаций, вакансий, дефектов упаковки, а кроме того, способствует образованию и развитию мало- и высокоугловых границ. Так как дефекты кристаллической решетки сильно влияют на формирование структуры сплавов при фазовых и структурных переходах, пластическую деформацию перед ними, а также в период их прохождения можно эффективно использовать для создания оптимальной структуры при ТЦО сталей и сплавов. Процессы пластического деформирования и ТЦО можно совмещать, но можно проводить и независимо друг от друга. При этом важно, чтобы фазовые и структурные превращения проходили в новых, измененных условиях, характеризующихся повышенной плотностью дефектов, создаваемых пластической деформацией. Так, в опытах с предварительной холодной деформацией при ТЦО возрастает число центров образующейся г-фазы и, как следствие, интенсивно измельчается зерно аустенита. Кроме того, при деформировании в межкритическом интервале температур в результате динамического г - б -превращения можно значительно ускорить процесс перекристаллизации, сильно наклепать составляющие структуры и измельчить зерно.

Разновидности ТЦО. Режимы ТЦО различаются как по назначению, так и по характеру структурных превращений, температурному диапазону термоциклирования, а также наличием дополнительных воздействий. Основными задачами технологических режимов ТЦО являются измельчение микроструктуры и сфероидизация избыточных фаз, повышение (или понижение) плотности дислокаций, прохождение релаксационных процессов, улучшение показателей физико-механических свойств. При этом возможно решение различных задач материаловедения и машиностроения, а именно: замены дорогостоящих видов материалов более дешевыми; повышения надежности и работоспособности деталей машин и механизмов; размерной стабильности деталей точного машино- и приборостроения; поверхностного упрочнения деталей; гомогенизации слитков перед прессованием; устранения ликвационной неоднородности и др.

Размещено на http://www.allbest.ru/

81

Рисунок 3.1 - Классификация видов ТЦО.

На рис. 3.1 представлена классификационная схема основных способов ТЦО металлов. ТЦО с фазовой перекристаллизацией может осуществляться по одному из трех механизмов: диффузионному, сдвиговому и смешанному (сдвигово-диффузионному). Получаемая при этом структура определяется как типом фазовых превращений, так и температурно-скоростными условиями прохождения этих превращений.

Наиболее предпочтительны превращения по сдвиговому (мартенситному) механизму, так как их прохождение сопряжено с интенсивным насыщением матрицы дефектами кристаллического строения. Однако при повторных нагревах может проявляться эффект структурной наследственности, что ведет к восстановлению исходного зерна аустенита. В большей степени это относится к легированным сталям. В связи с этим разработаны и применяются на практике несколько разновидностей ТЦО сталей и сплавов, различающихся температурно-скоростными параметрами. К ним относят маятниковую, средне- и высокотемпературную ТЦО сталей рис. 3.2).

Маятниковую ТЦО используют для измельчения зерна сталей ферритно-перлитного класса. При этом предусмотрен печной нагрев до температуры на 30--50 °С выше температуры Ас₁ с последующим охлаждением на воздухе до температуры на 50--80 °С ниже критической температуры Аr₁. Описанная обработка названа маятниковой, так как температурный интервал термоциклировании находится вблизи температур перекристаллизации.

Среднетемпературную ТЦО, предназначенную для получения сорбитообразной структуры конструкционных углеродистых сталей, осуществляют путем быстрых нагревов до температуры на 30--50 °С выше температуры Ас₁ с последующим охлаждением на воздухе до температуры на 30--50 °С ниже точки Аr₁ и далее в воде или масле.

Высокотемпературная ТЦО, или, как ее еще называют, циклическая электротермическая обработка (ЦЭТО) заключается в электронагреве со скоростью около 50 °С/с до температуры полной аустенизации, охлаждении со скоростью 30--50 °С/с до температуры 420--450 °С, отвечающей температуре наиболее быстрого изотермического распада аустенита и выдержке при этой температуре. По окончании выдержки циклы повторяют, в последнем термоцикле осуществляют закалку из аустенитного состояния. ВТЦО предназначена для получения максимальной прочности при удовлетворительной пластичности.

Рисунок 3.2 - Схема ТЦО сталей: а - маятниковая; б - среднетемпературная; в - высокотемпературная; г - низкотемпературная.

Сочетание ТЦО с такими термическими и термомеханическими операциями, как закалка, отпуск, старение и другими, во многих случаях оказывается полезным, так как при этом появляется возможность дополнительного регулирования промежуточной (между циклами) структурой, напряженным состоянием, а также степенью развития характерных для ТЦО процессов.

Использование ТЦО непосредственно в процессах химико-термической обработки (ХТО) при цементации (ХТЦО) позволяет за более короткое время, чем при изотермической выдержке, достичь необходимого диффузионного обогащения поверхностных слоев металлами или неметаллами из внешней активной среды. Изучение кинетики роста диффузионных слоев при ХТЦО показало, что использование маятниковой ТЦО при цементации низкоуглеродистых сталей приводит не только к сокращению длительности ТО, но и к увеличению толщины цементованного слоя на 20--25%. Следует отметить, что ХТЦО устраняет частично или полностью рост зерна, который имеет место во время нагрева и выдержки в аустенитном состоянии при ХТО.

3.2.2 Термоцилическая обработка как эффективный метод повышения конструктивной прочности сталей

Кроме решения задачи интенсификации процессов диффузионного насыщения сталей при ХТО, не менее важное значение имеет и задача повышения уровня конструктивной прочности поверхностно упрочняемых сталей. Известно, что в результате упрочнения стальных изделий методом ХТО, они, как правило, имеют низкие характеристики таких важных свойств стали, как пластичность и вязкость, ударная и усталостная прочность [13]. Это обусловлено как структурным строением сердцевины изделия (величиной зерна стали), так и дефектностью структуры упрочняемого слоя. Применение известных методов термической, термо-механической или механо-термической обработок хотя и обеспечивает повышение этих свойств, но не исчерпывает возможности достижения еще более высокого уровня свойств и, как правило, нетехнологично.

Одним из перспективных методов повышения конструктивной прочности сталей, а следовательно, их работоспособности, является метод ТЦО. Повышение конструктивной прочности различных сталей в результате ТЦО установлено в работах И.Н. Кидина [20], В.К. Федюкина [10], Р.А. и других авторов.

Повышение пластичности и вязкости сталей, а особенно ее ударной вязкости, обусловлено структурными изменениями и получением мелкого зерна, причем степень измельчения зерна и структурное состояние стали зависят от температурно-скоростного режима ТЦО и химического состава стали [10]. Измельчение зерна и снижение химической неоднородности получены в инструментальных и легированных сталях перлитного класса [15]. ТЦО углеродистых и легированных сталей через область температур аустенитно-мартенситного превращения позволяют получить размер зерна до 14 баллов (диаметр зерна 4-6 мкм), и соответственно структуру, в первом случае -- сорбитообразного (аналогично сорбиту отпуска) зернистого перлита, во-втором - мелкоигольчатого мартенсита с диспергированными участками аустенита.

Источником повышенной пластичности сталей при ТЦО является активированное состояние металла, обусловленное созданием в нем относительно больших внутренних напряжений: во-первых, за счет термических напряжений, возникающих при ускоренных нагревах и охлаждениях; во-вторых, за счет объемного эффекта фазовых превращений.

Характер изменения свойств, структуры и фазового состава сталей в результате ТЦО позволяет судить об универсальности воздействия такой обработки. Эффективность воздействия ТЦО на материал определяется следующими изменениями его состояния:

а) структурного строения - измельчением зерен, изменением их формы и ориентировки, обеспечением структурной однородности, а также изменением концентрации (плотности) дефектов кристаллической решетки;

б) фазового состава - получением того или иного фазового состояния сплава или преимущественного растворения, или выделения избыточных фаз в нем;

в) напряженного состояния - образованием или релаксацией внутренних остаточных напряжений;

г) химического состава - обеспечением химической однородности сплава.

В настоящее время, использование указанных возможностией направленного изменения структуры и свойств металлов и сплавов за счет применения оптимального режима ТЦО, позволяет успешно решать многие технологические задачи.

3.3 Обоснование использования режимов термоциклирования при химико-термической обработке сталей

Анализ условий интенсификации диффузионных процессов насыщения при ХТО показывает, что основная задача заключается в том, чтобы получить такое структурное строение высокотемпературной фазы стали, которое соответствовало бы ее максимальной диффузионной восприимчивости. Учитывая, что диффузионные процессы относятся к структурно чувствительным физическим процессам и любые нарушения кристаллического строения металла и воздействие внутренних и внешних напряжений существенно влияет на кинетику этих процессов, представляется перспективным использовать в процессе диффузионного насыщения режимов ТЦО.

Эффективность предлагаемой технологии метода ХТЦО [Забелин С.Ф.] оценивается в работе из сравнения кинетических кривых науглероживания стали 20 при различных способах цементации (рис.3.3).

Рисунок 3.3 - Кинетические кривые науглероживания стали 20 при температуре 920-940?С при различных способах цементации: 1- ионная цементация; 2- в кипящем слое; 3- в шахтной печи; 4- в камерной печи в атмосфере эндогаз + СН₄; 5- режим ХТЦО (600-950?С)

Продолжительность науглероживания при ХТЦО стали 20 значительно меньше (рис.3.3) по сравнению с другими способами цементации, а аппроксимация значений коэффициента полезного использования углерода насыщающей атмосферы при насыщении в шахтной печи, с учетом малой продолжительности диффузионного насыщения методом ХТЦО, показывает, что его значение будет не ниже 50%.

Как было отмечено ранее, использование режимом термоциклического воздействия в различных способах ХТО сталей и стальных изделий, защищенно авторскими свидетельствами и патентами, например:

- для процессов цементации - №907075, №1020456, 1342929, 1291610, 1266882, 1447885, 648623, 840152.

Примеры проведения процессов цементации [4,10] стальных изделий в режиме ТЦО показали, что продолжительность этих процессов существенно сокращается (в 2-3 раза) по сравнению с изотермической выдержкой и значительно повышается усталостная и контактная прочность сталей. Аналогичные результаты по ускорению диффузионной стадии процесса ХТО получены и при исследовании влияния многократной фазовой перекристаллизации сталей при диффузии элементов замещения (Сг, Ni, А1) [13, 14]. В работах Баранова А.А и Забелина С.Ф. отмечено повышение как механических (особенно вязких и пластических) свойств, так и эксплуатационных свойств упрочняемых ХТО сталей.

3.4 Изменение микроструктуры стали при различных режимах термической обработки

В ходе работы были проведены такие виды термических обработок как цементация, отжиг, нормализация, ХТЦО, состоящая из 3х 5-ти циклов, 2 вида закалки.(табл. 3.2)

Таблица 3.2 - Режимы ТО и ХТЦО стали 20Х.

№ режима	Вид обработки	Температурный режим, ?С	Длительность обработки, ч	Режим нагрева и охлаждения, град/сек
1	Цементация	960	10	Охлаждение в масле
2.	Отжиг	960	1,0	Охлаждение с печью
3.	Нормализация	910	1,0	Охлаждение на воздухе
4.	ТЦО	850-550	0,5 (3 цикла)	Нагр. и охл. 1,5-2,0 град/сек
5.	ТЦО	790-550	0,5 (5 циклов)	Нагр. и охл. 1,5-2,0 град/сек
6.	ТЦО	850-550	0,5 (5 циклов)	Нагр. и охл. 1,5-2,0 град/сек
7.	Закалка	850 (после 3-х циклов ТЦО)	0,1	Охлаждение в воде или воздухе
8.	Закалка	790 (после 5-ти циклов ТЦО)	0,1	Охлаждение в воде или воздухе
9.	Закалка	850 (после 5-ти циклов ТЦО))	0,1	Охлаждение в воде или воздухе

Ниже приведены микроструктуры стали 20Х после различных режимов обработки. График ТО и микроструктура стали 20Х после нормализации при t=910?С.

Рисунок 3.4 - График режима отжига стали 20Х.

Рисунок 3.5 - Микроструктура стали 20Х после нормализации при t=910?С, х200

На данной микроструктуре наблюдается мелкозернистая полосчатая структура, состоящая из перлита и цементита.

График ТО и микроструктура стали 20Х после отжига при t=960?С.

Рисунок 3.6 - График режима отжига стали 20Х.

Рисунок 3.7 - Микроструктура стали 20Х после отжига при t=960?С, х500.

На данной микроструктуре полосчатость сохранилась в меньшей степени. Структура представляет собой исходное состояние и состоит из феррита и перлита.

График ТО и микроструктура стали 20Х после насыщения и закалки при 850?С.



Рисунок 3.8 - График режима насыщения а) и закалки б) стали 20Х.

Рисунок 3.9 - Микроструктуры стали 20Х после насыщения и закалки: а) после насыщения (Ц_II + П); б) после насыщения и закалки.(М + Карбиды + А ост.)

После цементации и последующей термической обработки получаем структуру цементованного слоя для легированной стали - мелкоигольчатый мартенсит с включениями дисперсных карбидов. Наличие в цементованном слое структурно свободных карбидов в виде сетки приводит при шлифовании к получению трещин (из-за хрупкости слоя). Кроме того, крупные включения карбидов, выходя на поверхность, могут выкрашиваются в процессе работы.

На рис. 3.9 а) вы видим большое количество цементитных включений в виде цементитной сетки. На рис.3.9 б) этих включений гораздо меньше, но от цементитной сетки полностью избавиться не удалось.

График ТО и микроструктура стали 20Х после 3х циклов и закалки при t=850?С.

Рисунок 3.10 - График режима 3х циклов ХТЦО 850-550?С.

Рисунок 3.11 - Микроструктура стали 20Х после 3х циклов и закалки при t=850?С.

Результаты измерения микроструктуры стали: 1й отпечаток - 592 кг/мм ²; 2й отпечаток - 634 кг/мм ²; 3й отпечаток - 707кг/мм ²; 4й отпечаток - 420 кг/мм ².

График ТО и микроструктура стали 20Х после 5ти циклов термоциклирования и закалки при t=790?.



Рисунок 3.12 - График режима 5ти циклов ХТЦО 790-550?С.

Рисунок 3.13 - Микроструктура стали 20Х после 5ти циклов термоциклирования и закалки при t=790?С.

На данной микроструктуре наблюдается выделения в виде глобулярного цементита протяженностью 90-100мкм.

График ТО и микроструктура стали 20Х после 5ти циклов термоциклирования и закалки при t=850?С.



Рисунок 3.14 - График режима 5ти циклов ХТЦО 850-550?С.

Рисунок 3.15. - Микроструктура стали 20Х после 5ти циклов термоциклирования и закалки при t=850?С: а) микроструктура стали образца у поверхности; б) микроструктура стали образца по направлению к сердцевине; в) микроструктура сердцевины образца.

На рисунке 3.15 а) показано выделение большого количества глобулярного цементита, толщина цементованого слоя составляет 150мкм.

При 5ти циклах ХТЦО цементитная сетка исчезает полностью.

3.5 Определение распределения углерода по толщине насыщаемого слоя

Для определения распределения углерода по толщине насыщаемого слоя были сделаны образцы для исследования их на установке «Спектромакс», и были получены следующие данные (табл. 3.3):

Таблица 3.3 - Распределение углерода при цементации стали 20Х.

№ Образца	1.	2.	3.	4.	5.	6.	7.	8.	9.	10.	11.
%С	1,40	1,22	1,06	0,76	0,56	0,53	0,50	0,42	0,38	0,24	0,176

Рисунок 3.16 - График изменения распределения углерода по толщине насыщаемого слоя.

В цементованных образцах содержание углерода уменьшается от поверхности к центру. В соответствии с изменением химического состава получаем следующее распределение структурных составляющих (рис.3.16).

Рисунок 3.17 - Схема микроструктуры цементованной стали. Заэвектоидная Эвтектоидная Доэвтектоидная Исходная

(П + Ц) (Перлит) (П + Ф) (Ф + П)

(1,4-0,9%С) (0,9-0,7%С) (0,7-0,4%) (0,4-0,176%С)

На поверхности цементованного образца образуется заэвтектоидная зона (перлит и цементит), далее распологается эвтектоидная зона (перлит), и затем при переходе к сердцевине - переходная доэвтектоидная зона (феррит и перлит). В переходной зоне чем ближе к сердцевине, тем менше становится перлита и больше феррита.

Необходимо, чтобы содержание углерода в цементованном слое понижалось постепенно от поверхности к сердцевине. Резкий переход цементованного слоя к сердцевине приводит к возникновению значительных растягивающий напряжений, что вызывает отслаивание закаленного цементованного слоя. При недостаточной толщине слоя происходит продавливание и растрескивание, при излишней толщине уменьшается вязкость и снижается перед выносливости.

3.6 Определение микротвердости образцов

Для определения микротвердости применяем прибор марки ПМТ-3.

Первым испытываем образец после режима 3-х циклов ХТЦО 850-550?С.

Из графика наглядно видно, что с изменением толщины цементованного слоя микротвердость образца существенно падает, это связано с уменьшением содержания углерода в стали (1,40-0,176%С).

Первая точка соответствует 30-ти мкм от поверхности образца, при которой твердость равна 824 HV, с удалением от поверхности твердость падает. При 1000 мкм был сделан последний отпечаток, твердость в этой точке равна 210 Hµ.



Рисунок 3.18 - График изменения микротвердости от толщины цементованного слоя после режима 3-х циклов ХТЦО 850-550?С.

Рис.3.19 - Измерение микротвердости образца после режима 3-х циклов ХТЦО 850-550?С.

Далее опеределяем твердость образеца после 5-ти циклов ХТЦО 790-550?С и закалки.



Рисунок 3.20 - График изменения микротвердости от толщины цементованного слоя после 5-ти циклов ХТЦО 790-550?С.

У поверхности получаем максимальную величину твердости, которая равна 824 HV, далее по глубине образца она стремительно падает, и на глубине 1500мкм твердость равна 210 Hµ.

Далее испытанию подвергаем образец после 5-ти циклов ХТЦО 850-550?С.

У поверхности получаем максимальную величину твердости, которая равна 824 HV, далее по глубине образца она уменьшается, но, в отличии от предыдущего испытания, твердость падает не значительно, и на глубине 1500мкм она сохраняет значение 322 Hµ.



Рисунок 3.21 - График изменения микротвердости от толщины цементованного слоя после 5-ти циклов ХТЦО 850-550?С.

Рисунок 3.22 - Микроструктура стали 20Х после 5ти циклов ХТЦО 850-550?С, после испытания на микротвердость.

Выводы:

1. Цементация стали, разновидность химико-термической обработки (ХТО), заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя изделий из низкоуглеродистой стали (0,1-0,2% С) углеродом при нагреве в соответствующей среде.

2. Интенсивность процесса ХТО и основные его характеристики (толщина диффузионного слоя и распределение концентрации насыщаемого элемента внутри него) зависят, главным образом, от развития диффузионной стадии процесса.

3. Основными недостатками технологии традиционных методов ХТО сталей являются большая продолжительность процессов диффузионного насыщения и необходимость применения дополнительной термической обработки с соблюдением строго регламентированных технологических режимов.

4. Метод ТЦО как способ термообработки (ТО) основан на постоянном накоплении от цикла к циклу положительных изменений в структуре металлов. При этом важной особенностью цикла является его интенсивность, отсутствие или наличие небольших выдержек при крайних температурах, а также оптимальный диапазон изменения температуры.

5. Термоциклическая обработка основана на многократном прохождении структурных превращений, за счет которых материал может приобретать структуру, которая недостижима при обычных видах ТО.

6. На основании работ Забелина С.Ф. установлено, что продолжительность науглероживания при ХТЦО стали 20 (рис. 3.3) значительно меньше по сравнению с другими способами цементации, такими как ионная цементация, цементация в шахтной печи, в кипящем слое, в эндогазе и др.

7. В ходе исследований были проведены следующие виды ТО, ХТО и ХТЦО:

Отжиг, нормализация, цементация, ХТЦО, состоящая из 3х 5-ти циклов, 2 вида закалки, и были получены соответствующие структуры, анализируя которые были сделаны следующие выводы:

- После отжига при 960?С была получена крупнозернистая, полосчатая исходная структура, состоящая из феррита и перлита;

- После цементации (насыщения и закалка) продолжительностью 10-12 ч, и закалки продолчительностью 8-10 мин при 850?С, были получены 2 структуры соответственно.После насыщения наблюдалась ярковыраженная цементитная сетка. После цементации и последующей термической обработки получаем структуру цементованного слоя для легированной стали - мелкоигольчатый мартенсит с включениями дисперсных карбидов.

- После 5ти циклов термоциклирования и закалки при t=790? получает цементованный слой, состоящий из глобулярного цементита глубиной 90-100 мкм.

- После 5ти циклов термоциклирования и закалки при t=850? получает цементованный слой, состоящий из глобулярного цементита, глубиной 150 мкм.

- При режиме ХТЦО цементитная сетка полностью исчезает.

8. В ходе исследований был проведен химический анализ распределения углерода по толщине насыщаемого слоя. Для заэвтектоидной зоны содержание углерода составило 1, 4%, для исходной структуры - 0,176%.

9. В ходе работы были произведены замеры микротвердости образцов после 3-х и 5-ти циклов ХТЦО с различных температур закалки.

4. Охрана труда

4.1 Общая характеристика термического участка

Санитарно-гигиенические условия труда в термических цехах характеризуются наличием в воздухе производственного помещения вредных токсических веществ

Выделения токсичных газов при сжигании Г кг природного газа и 2,2 - 5,2 г SO₂ при сжигании 1 кг мазута. При сжигании 1 м³ природного газа образуется N0 - 0,21 г, NO₂ - 0,21 г, при сжигании 1 кг мазута СО - 58 г, N0 - 0,33 г, NO₂ - 0,33 г, SO₂ - 0,714 г. В цехах попадает до 10% общего количества вредных веществ, выделяемых при сгорании топлива

Термические цеха характеризуются значительными выделениями теплоты, передаваемой излучением и конвекцией. Интенсивность теплового потока у нагревательных печей, составляет 1,4-2,1 кВт/м², у мест складирования заготовок, пультов управления и кабин крановщиков -1-1,95 кВт/м², у меся складирования изделий после ковки - 0,5-1 кВт/м²; на рабочих местах при нагреве металла на высокочастотных установках - 0,24-0,3 кВт/м²; выделения теплоты от электропечей - до 2,2 МДж/ч на 1 кВт мощности печи.

Опасность поражения электрическим током возникает при использовании печей сопротивления для нагрева заготовок.

Существует опасность возникновения пожаров при пуске газовых нагревательных печей вследствие неправильного зажигания, при внезапной остановке дутья, просачивании газа в производственное помещение, а также при подсосе воздуха внутрь газовых устройств может произойти взрыв. Во избежание взрыва газопроводы изготовляют из цельнотянутых труб соединяемых сваркой, при этом не используют резьбовые и фланцевые соединения. Цеховую газопроводную сеть оборудуют перекрывающими и отключающими устройствами, регуляторами давления и продувочными свечами.

В мастерской по приготовлению технологических смазочных материалов, где используют горючие материалы (керосин, масла, спирты и пр.), во избежание взрыва устанавливают взрывобезопасное электрооборудование и приточно - вытяжную вентиляцию, чтобы не допустить образования в воздухе взрывоопасных концентраций.

Обычно причинами травмирования работающих на станках являются:

- поломка задней или передней бабки, или других составных частей станка вследствие его неправильной эксплуатации;

- применение неправильных приемов работы при извлечении заготовки, из патрона;

- неправильные приемы работы на подъемно транспортных механизмах, отсутствие безопасных проходов, проездов и т.д.

- несоответствие одежды рабочего нормам безопасности;

Для проведения технологического процесса на участке предусмотрено оборудование: токарные станки, камерные печи, закалочные баки с машинным маслом и водой.

4.2 Анализ потенциальных опасностей на производстве

Согласно ГОСТ 12.0.003-74 " Опасные и вредные производственные факторы. Классификация" существуют такие физические опасности и вредные производственные факторы:

- Повышенная запыленность и загазованность воздуха рабочей зоны;

- Повышенная температура поверхности оборудования и материалов;

- Повышенная температура воздуха рабочей зоны;

- Опасность контакта с электричеством;

- Повышенная яркость;

- Острые кромки, заусенцы и шероховатость на поверхности заготовок, инструментов и оборудования.

Анализ потенциальных вредностей в термическом участке:

- большой уровень электромагнитных излучений;

- большая или сниженная подвижность воздуха;

- большой уровень шума на рабочем месте;

- большая запыленность воздуха в рабочей зоне;

Мероприятия по снижению опасных и вредных факторов:

- помещение участка, оборудование и коммуникации должно быть оснащено контрольно-измерительными приборами, в соответствии с ГОСТ 12.3.004-75;

- в местах возможной локализации воздействия опасных и вредных факторов должны быть установлены быстродействующие отсекающие приспособления, в соответствии с ГОСТ 12.3.004-75;

- помещение термоучастка должно быть оборудовано приточно-вытяжной вентиляцией, в соответствии с ГОСТ 12.3.00-75

- для предотвращения пожаро- и взрывоопасной ситуации при работе с закалочными маслами следует правильно выбирать марку масла и режим работы, в соответствии с ГОСТ 12.3.00.-75;

- при работе с установками ТВЧ необходимо применять меры по электробезопасности и защите от длинноволновых излучений, в соответствии с ГОСТ 12.3.004-75.

4.3 Мероприятия по обеспечению безопасности труда

Согласно ГОСТ 12.2.00S--91" Оборудование производственное, Общие требования безопасности".

1. Производственное оборудование должно обеспечивать безопасность работающих при монтаже (демонтаже), вводе в эксплуатацию и эксплуатации как в случае автономного использования, так я в составе технологических комплексов при соблюдении требований (условий, правил), предусмотренных эксплуатационной документацией. Примечание. Эксплуатация включает в себя в общем случае использование по назначению, техническое обслуживание и ремонт, транспортирование, хранение.

2. Безопасность конструкции производственного оборудования обеспечивается ГОСТ 12.2.062-81

- выбором принципов действия и конструктивных решений, источников энергии и характеристик энергоносителей, параметров рабочих процессов, системы управления и ее элементов;

- минимизацией потребляемой и накапливаемой энергии при функционировании оборудования;

- выбором комплектующих изделий и материалов для изготовления конструкций, а также применяемых при эксплуатации;

- выбором технологических процессов изготовления;

- применением встроенных в конструкцию средств - защиты работающих, а также средств информации, предупреждающих о возникновении опасных (в том числе пожаровзрывоопасных ситуаций

- надежностью конструкции и ее элементов (в том числе дублированием

- отдельных систем управления, средств защиты и информации, отказы которых могут привести к созданию опасных ситуаций);

- применением средств механизации, автоматизации (в том числе автоматического регулирования параметров рабочих процессов) дистанционного управления и контроля;

- возможностью использования средств защиты, не входящих в конструкцию;

- выполнением эргономических требований;

- ограничением физических и нервнопсихических нагрузок на работающих.

Требования безопасности к производственному оборудованию конкретных групп, видов, моделей (марок) устанавливаются на основе требований настоящего стандарта с учетом: ГОСТ 12.2.003-91:

- особенностей назначения, исполнения и условий эксплуатации;

- результатов испытаний, а также анализа опасных ситуаций (в том числе пожаровзрывоопасных), имевших место при эксплуатации аналогичного оборудования;

- требований стандартов, устанавливающих допустимые значения опасных и вредных производственных факторов;

- научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, а также анализа средств и методов обеспечения безопасности на лучших мировых аналогах;

- требований безопасности, установленных международными я региональными стандартами и Другими документами к аналогичным группам, видам, моделям (маркам) производственного оборудования;

- прогноза возможного возникновения опасных ситуаций на вновь создаваемом или модернизируемом оборудовании.

Согласно ГОСТ 12.1.005-88 " Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны." (табл. 4.1)

Таблица 4.1 - Микроклимат в термическом участке.

Параметр	Фактические значения	Нормативное значение
1. Температура, С Холодное время года Теплое время года	16-18 19-21	18-20 21-23 ГОСТ12.1.005-88
2. Относительная влажность, % .	74	75 ГОСТ 12.1.005-88
3.Скорость движения воздуха, м/с	0,3	0,3
4. Температура оборудования, С	65	ГОСТ 12.1.005-88 50 ГОСТ 3.3 6.042-99

Согласно ГОСТ 12.1.005-88 " Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны" Требования к рабочим местам.

1. Конструкция рабочего места, его размеры и взаимное расположение элементов (органов управления, средств отображения информации, вспомогательного оборудования и др.) должны обеспечивать безопасность при использовании производственного оборудования по назначению, техническом обслуживании, ремонте и уборке.

2. Необходимость наличия на рабочих местах средств пожаротушения и других средств, используемых в аварийных ситуациях, должна быть установлена в стандартах, технических условиях и эксплуатационной документации на производственное оборудование конкретных групп, видов, моделей (марок).

4.4 Требование к системе противопожарной защиты

Согласно ГОСТ 12.1.004-85 " Пожарная безопасность" к противопожарной защите выдвигаются следующие требования:

1. Противопожарная защита должна обеспечиваться: применением средств пожаротушения и соответствующих видов пожарной техники; применением автоматических установок пожарной сигнализации и пожаротушения;

применением основных строительных конструкций объектов с регламентированными пределами огнестойкости и пределами распространения огня; применением пропитки конструкций объектов антипиренами и нанесением на их поверхности огнезащитных красок (составов); устройствами, обеспечивающими ограничение распространения пожара; организацией своевременной эвакуации людей;

применением средств коллективной и индивидуальной защиты людей от опасных факторов пожара; применением систем противодымовой защиты.

2. Огнестойкость зданий и сооружений должна быть такой, чтобы строительные конструкции сохраняли свои несущие и ограждающие функции при пожаре в течение времени, необходимого для обеспечения безопасности людей и тушения пожара пожарными подразделениями.

3. Ограничение распространения пожара за пределы очага должно обеспечиваться:

- устройством противопожарных преград;

- установлением предельно допустимых площадей противопожарных отсеков и секций, ограничением этажности;

- устройством аварийного отключения и переключения установок и коммуникаций;

- применением средств, предотвращающих или ограничивающих разлив и растекание жидкостей при пожаре; применением огнепреграждающих устройств в оборудовании.

4. Для каждого вида пожарной техники должны быть определены:

- количество, быстродействие и производительность установок пожаротушения;

- допустимые огнетушащие вещества (в том числе с позиции их совместимости с горящими веществами, материалами);

- источники и средства подачи воды для пожаротушения; нормативный

- (расчетный) запас специальных огнетушащих веществ (порошковых,

- газовых, пенных, комбинированных);

- необходимая скорость наращивания подачи огнетушащих веществ с

- помощью транспортных средств оперативных пожарных служб;

- порядок хранения веществ и материалов, тушение которых недопустимо одними и теми же средствами, в зависимости от их физико-химических и пожароопасных свойств;

- основные виды, размещение и обслуживание пожарной техники -- по ГОСТ 12.4.009-83.

Применяемые виды пожарной техники должны обеспечивать эффективное тушение пожара (загорания) и быть безопасными для людей.

5. Каждый объект должен иметь такое объемно-планировочное и техническое исполнение, чтобы эвакуация людей из него была завершена до наступления предельно допустимых значений опасных факторов пожара, а при нецелесообразности эвакуации была обеспечена защита людей в объекте. Для обеспечения эвакуации необходимо:

- установить количество, размеры и соответствующее конструктивное исполнение эвакуационных путей, выходов;

- обеспечить возможность беспрепятственного движения людей по эвакуационным путям;

- организовать при необходимости управление, движением людей по эвакуационным путям (световые указатели, звуковое и речевое оповещение и т. п.).

6. Средства коллективной и индивидуальной защиты должны обеспечивать безопасность людей в течение всего времени действия опасных факторов пожара. Средства индивидуальной защиты следует применять также для пожарных, участвующих в тушении пожара. Коллективную защиту следует обеспечивать с помощью пожаробезопасных убежищ или других конструктивных решений.

7. На каждом объекте народного хозяйства должно быть обеспечено своевременное оповещение людей и (или) сигнализация о пожаре в его начальной стадии техническими или организационными средствами.

Организационно-технические мероприятия по обеспечению пожарной безопасности.

Организационно-технические мероприятия должны включать:

- организацию пожарной охраны (в установленном порядке) соответствующего вида (профессиональной, добровольной и т. п.), численности и технической оснащенности;

- паспортизацию веществ, материалов, изделий, технологических процессов и объектов в части обеспечения пожарной безопасности;

- широкое привлечение общественности к вопросам обеспечения пожарной безопасности;

4.5 Экологизация производства

Большое количество энергии, потребляемой нагревательными термическими установками и устройствами, преобразуется в теплоту и рассеивается в биосфере в виде потерь или при охлаждении нагретых изделий. Для уменьшения бесполезного рассеивания теплоты необходимо улучшить теплоизоляцию и сократить все виды потерь, использовать для технологических целей или бытовых нужд теплоту отходящих газов и охлаждающей воды.

Наиболее распространёнными и опасными загрязнителями окружающей среды являются:

Оксид углерода (СО), или угарный газ, не имеет цвета и запаха, получается в результате неполного сгорания каменного угля, естественного газа, древесины, нефти, бензина. Если в воздухе находиться до 1% СО, то это уже отрицательно влияет на организм человека, а до 4% СО, для многих видов является летальной дозой.

Оксиды азота (NO, NO₂, N₂O), что в 10 раз опаснее для человека, чем СО, выбрасываться в воздух преимущественно предприятиями, которые вырабатывают азотную кислоту и нитриды, анилиновые красители, целлулоид, вискозный шелк, а так же топливными агрегатами ТЭС и ТЕЦ, металлургическими заводами и способствуют образованию кислотных дождей.

Аммиак (NH₃), что применяется для производства, в частности азотной кислоты, раздражает дыхательные пути людей и животных.

Диоксид серы (SO₂), или сернистый газ, выделяется во времени сгорания топлива с примесью серы (уголь, нефть), переработки серных руд, выплавка металлов.

Триоксид серы (SO₃), получается вследствие окисления SO₂ в атмосфере в время фотохимических и каталитических реакциях и есть аэрозолем или раствором серной кислоты в дождевой воде, которая окисляет грунты, усиливает коррозию металлов, разрушение резины, мрамора и способствует обострению заболеваний лёгких и дыхательных путей.

Для уменьшения загрязненности атмосферы вредными веществами устраивают системы газоулавливания и газоочистки, используют газы, содержащие СО и углеводороды, для технологических целей, регулируют состав атмосферы (электропечи сопротивления с контролируемой атмосферой и др.), заменяют процессы с большим газовыделением. Очистка газов производится абсорбционными, адсорбционными и каталитическими методами.

Вместе с газами, топливом и при сопутствующих термообработке процессах в атмосферу уносится значительное количество пыли. Для уменьшения загрязнения атмосферного воздуха (особенно при выбросе отходящих промышленных газов), для технологической подготовки газов и извлечения из газов полезных материалов проводится пылеулавливание с помощью пылеуловителей, встроенных в основное оборудование или выносных.

Электротермическое оборудование является крупным потребителем воды, расходуемой для охлаждения элементов печей и устройств. К воде предъявляются высокие требования. Для уменьшения забора воды из источников и обеспечения ее качества и очистки целесообразно устройство систем оборотного водоснабжения.

Особое внимание должно обращаться на обезвреживание сточных вод, в которых могут находиться цианистые соединения или другие ядовитые вещества. Для обезвреживания циансодержащих сточных вод рекомендуется использовать щелочь (известковое молоко) и хлорсодержащие компоненты (жидкий хлор, гипохлорит натрия, гипохлорит кальция, хлорную известь и пр.). Количество щелочи должно обеспечивать поддержание рН (водородный показатель) сточных вод в пределах 10,5-- 11,0. Дозу активного хлора принимают равной 3,5 части по массе на 1 часть циана. Затем циансодержащие воды перед отстойниками подкисляют до нейтральной среды. Для очистки от цианидов возможно также применение марганцовокислого калия и перекиси водорода. При значительных концентрациях цианид-ионов (например, сточные воды участков цианирования) целесообразно применение электрохимической очистки.

После реагентной обработки, отстаивания и в некоторых случаях фильтрования сточные воды обычно сбрасывают в бытовую канализацию или водоем. Возврат очищенных реагентным методом и доочищенных на фильтрах сточных вод возможен лишь на неответственные операции процессов гальванических покрытий.