Исследование процесса формирования диффузионного слоя при химико-термической обработке. Методические указания для выполнения курсовой работы

МИНИСТЕСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ Восточно-Сибирский государственный технологический университет

Составитель: к.т.н., доцент Сизов И.Г. Рецензент: к.т.н., доцент Махаров Д.М.

Кафедра «Металловедение и технологии обработки материалов» Сизов И.Г. Исследование процесса формирования диффузионного слоя при химико-термической обработке: Методические указания для выполнения курсовой работы по дисциплине «Химико-термическая обработка металлов и сплавов» / - Улан-Удэ: ВСГТУ, 2004, - 14 с. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ДИФФУЗИОННОГО СЛОЯ ПРИ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ Методические указания для выполнения курсовой работы по дисциплине «Химико-термическая обработка металлов и сплавов» для студентов специальности 110800 «Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия» (специализация «Напыляемые и имплантированные покрытия»)

Составитель: Сизов И.Г.

Издательство ВСГТУ Улан-Удэ – 2004

Представлены методические указания для выполнения курсовой работы по дисциплине «Химико-термическая обработка металлов и сплавов» специальности 110800 «Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия» (специализация «Напыляемые и имплантированные покрытия»). Рассмотрена структура курсовой работы, указаны требования, предъявляемые к оформлению. Ключевые слова: диссоциация, адсорбция, диффузия, металл, атом, цементация, азотирование, борирование, хромирование.

Введение Методические указания предназначены для студентов, выполняющих курсовую работу по дисциплине «Химико-термическая обработка металлов и сплавов» в 9-м семестре. Химико-термическая обработка (ХТО) является одним из наиболее распространенных способов поверхностного упрочнения деталей машин, инструмента и т.д. Методы ХТО позволяют получать на поверхности изделий весь спектр требуемых при эксплуатации свойств: высокую твердость и износостойкость, коррозионную стойкость, жаростойкость и др. Как отмечал один из известных отечественных металловедов И.И.Новиков «…Процессы химико-термической обработки, благодаря неисчерпаемому разнообразию химически активных сред и богатым возможностям изменения свойств поверхностных слоев и всего объема изделий, широко используют в промышленности. Они быстро развиваются, завоевывая новые области применения». Курсовая работа является самостоятельным исследованием студентом выбранного способа ХТО конкретного железоуглеродистого сплава. Цель работы: Изучение теоретических и практических особенностей получения диффузионного слоя на поверхности железоуглеродистого сплава в результате химико-термической обработки.

Теоретические основы химико-термической обработки Химико-термическая обработка – это термическая обработка, сочетающая тепловое воздействие с химическим, в результате чего изменяется состав и структура в поверхностных слоях, а иногда и по всему объему изделия. ХТО осуществляется в результате диффузионного насыщения металла или сплава неметаллами (C, N, B и др.) или металлами (Al, Cr, Zn, W и др.) при определенной температуре в активной насыщающей среде: 1. Диффузионное насыщение неметаллами. 1.1 Однокомпонентное насыщение неметаллами (цементация, азотирование, силицирование, борирование и др.). 1.2 Многокомпонентное насыщение неметаллами (цианирование, сульфоазотирование, боросилицирование и др.). 2. Диффузионное насыщение металлами. 2.1 Однокомпонентное насыщение металлами (хромирование, цинкование, алитирование и др.). 2.2 Многокомпонентное насыщение металлами (хромоалитирование, титаноалитирование, хромотитанирование и др.). 3. Многокомпонентное диффузионное насыщение металлами и неметаллами (бороалитирование, борохромирование, карбохромирование, хромосилицирование и др.). В отличие от поверхностной закалки при ХТО разница в свойствах достигается не только изменением структуры металла, но и его химического состава. ХТО не зависит от формы деталей и обеспечивает получение упрочненного слоя одинаковой толщины по всей поверхности. ХТО дает более существенное различие в свойствах поверхности и сердцевины деталей.

При ХТО одновременно протекает несколько процессов, обеспечивающих насыщение изделия элементами из внешней среды. 1. Диссоциация - распад молекул с образованием активных атомов диффундирующего элемента (in stutu nascendi): 2CO → CO2 + C NH3 → 3H + N Одновременно с этим происходит диффузия активных атомов к обрабатываемой поверхности. 2. Адсорбция – поглощение поверхностью металла свободных атомов насыщающего элемента. Атомы металла, находящиеся на поверхности, имеют направленные наружу свободные связи. При подаче к поверхности детали атомов насыщающего элемента эти свободные связи вступают в силу, что уменьшает поверхностную энергию металла. С повышением температуры адсорбционная способность металла увеличивается. Развитию процесса адсорбции помогает способность диффундирующего элемента образовывать с основным металлом твердые растворы. 3. Диффузия – проникновение насыщающего элемента (адсорбированных атомов) вглубь металла. По мере накопления атомов диффундирующего элемента на поверхности насыщения, возникает диффузионный поток от поверхности вглубь обрабатываемого металла. Процесс возможен только при условии растворимости диффундирующего элемента в обрабатываемом материале и достаточно высокой температуре, обеспечивающей необходимую скорость диффузии. Скорость диффузии атомов насыщающего элемента в решетку железа неодинакова и зависит от состава и строения образующихся фаз: диффузия протекает быстрее при образовании твердых растворов внедрения (при насыщении углеродом или азотом, размеры атомов, которых малы), чем

твердых растворов замещения. Поэтому, при диффузионной металлизации (насыщении металлами) процесс ведут при более высоких температурах, длительно, и тем не менее, получают меньшую толщину слоя, чем при насыщении азотом и углеродом. В результате диффузии образуется диффузионный слой, на поверхности которого концентрация диффундирующего элемента наибольшая. По мере удаления от поверхности концентрация диффундирующего элемента падает. Глубина проникновения диффундирующего элемента является толщиной диффузионного слоя. Методы химико-термической обработки Различают следующие основные методы насыщения при ХТО: 1. Насыщение из порошковых смесей (порошковый метод). Благодаря простоте технологического процесса метод нашел применение в мелкосерийном и серийном производстве для цементации, алитирования, хромирования, борирования и т.д. 2. Прямоточный и циркуляционный методы диффузионного насыщения из газовых сред. Прямоточный газовый метод заключается в нагреве изделий в герметичных печах, куда постоянно подается насыщающий газ. Отработанный газ выходит из печи через специальное отверстие и, как правило, сжигается. Метод позволяет регулировать активность насыщающей атмосферы (потенциал атмосферы), широко применяется в мелкосерийном и серийном производстве для цементации, нитроцементации и азотирования. Газовый метод обеспечивает высокое качество диффузионного слоя и поверхности обрабатываемого изделия. Циркуляционный метод отличается повторным использованием насыщающего газа при систе-

матическом его восстановлении и находит широкое применение при насыщении металлами и кремнием. 3. Диффузионное насыщение из расплавов металлов или солей, содержащих диффундирующий элемент (с электролизом или без применения электролиза). Жидкий метод позволяет сократить длительность технологического процесса, однако не всегда обеспечивает высокое качество поверхности и стабильность толщины диффузионного слоя. Применяется в серийном производстве. 4. Насыщение из паст и суспензий. Эти методы не всегда обеспечивают получение равномерной толщины покрытия и поэтому в настоящее время не нашли достаточно широкого распространения. Однако, насыщение из паст может быть рекомендовано для местного упрочнения и при обработке крупногабаритных деталей и инструмента (например, для упрочнения рабочей поверхности штампов горячего деформирования), так как другими методами ХТО этого достичь просто невозможно. 5. Диффузионное насыщение в вакууме. Насыщение осуществляется испарением диффундирующего элемента при высоких температурах в вакууме. Испарившиеся атомы металла в вакууме перемещаются на значительные расстояния и осаждаются на поверхностях, встречающихся на их пути. При испарении в вакууме атомы насыщающего элемента перемещаются прямолинейно до столкновения с молекулами остаточного газа. Чем глубже вакуум, тем больше длина свободного пробега атомов и выше скорость осаждения металла на обрабатываемую поверхность. Это перспективный метод ХТО. Выбор способа насыщения зависит от вида производства, габаритов обрабатываемой детали, требуемой толщины слоя и т.д.

Структура и содержание курсовой работы Структурными элементами курсовой работы являются: титульный лист, аннотация, содержание, введение, основная часть, выводы, список литературы, приложения. Все части курсовой работы должны быть изложены в строгой логической последовательности и взаимосвязи. Титульный лист является первым листом курсовой работы и заполняется по форме, приведенной в Приложении 1. В аннотации должна быть представлена краткая характеристика содержания курсовой работы: полученные результаты, данные об объеме работы, количество разделов, иллюстраций, таблиц, приложений, использованных источников. Во введении обосновывается выбор темы, определяемый ее актуальностью, формируется проблема и круг вопросов, необходимых для ее решения. Основная часть курсовой работы должна состоять из следующих разделов: 1. Характеристика выбранного метода ХТО. Данный раздел является теоретическим. В этом разделе студент должен дать определение выбранного метода ХТО. Указать задачи, решаемые данным методом. Проанализировать диаграмму состояния железо-насыщающий элемент. Проанализировать и указать механизм формирования слоя. На основе сравнительного анализа выявить достоинства и недостатки метода. Перечислить области применения с указанием конкретных упрочняемых изделий. При подготовке данного раздела студент должен показать знание специальной литературы, умение систематизировать литературные источники, критически их рассматривать, выделять существенное, определять главное в современном состоянии изучаемого вопроса. Для этого студент должен использовать учебную, научную и специаль-

ную литературу: реферативные журналы, бюллетени специальной информации, экспресс-информацию, аналитические обзоры, диссертации, монографии, периодические издания, справочники и т.д. 2. Характеристика выбранного материала и методы исследования структуры и свойств диффузионного слоя. В этом разделе необходимо привести химический состав выбранного материала, его механические (твердость, предел прочности, предел текучести, характеристики пластичности и др.) и технологические (свариваемость, прокаливаемость, обрабатываемость резанием и др.) свойства. Дать описание методов исследования (металлографический анализ, определение микротвердости и др.) и оборудования. 3. Технология исследуемого метода ХТО. Приводится подробное описание операций исследуемого метода с указанием температуры обработки, выдержки, состава насыщающей среды, способа охлаждения. 4. Исследование структуры и свойств диффузионного слоя. Данный раздел курсовой работы является исследовательским, в котором студент должен показать навыки работы на различном научном оборудовании, умение анализировать полученные результаты. В разделе должны быть представлены: - фотографии микроструктур основного металла и диффузионного слоя; - график распределения микротвердости по толщине слоя. Студент должен дать полное описание микроструктуры основного металла (фазовые и структурные составляющие). Дать анализ слоя с указанием зоны химических соединений, переходной зоны, морфологии слоя, фазового состава и т.д.

Выводы должны быть общими по всей работе и содержать изложение основных результатов работы и их оценку. Они должны быть развернутыми, четкими и должны отражать только результаты, полученные в разделе 4 основной части. Список литературы. В список включаются все печатные и рукописные материалы, которые были использованы студентом при написании курсовой работы. Список литературы составляется в порядке упоминания в тексте или в алфавитном порядке. Приложения. В приложениях следует помещать вспомогательные материалы: данные определения микротвердости и др. Требования к оформлению курсовой работы Курсовая работа должна быть оформлена в соответствии с требованиями, отраженными в следующих нормативных документах: - Руководящий документ РД 40 РСФСР 050-87 «Проекты (работы) дипломные и курсовые. Правила оформления». - ГОСТ 7.32-2001 «Отчет о научно-исследовательской работе». - ГОСТ 2.105-79 «Общие требования к текстовым документам». - ГОСТ 7.1-84 «Библиографическое описание документа. Общие требования и правила оформления».

Список рекомендуемой литературы 1. Гуляев А.П. Металловедение: Учебник для ВУЗов. –М.: Металлургия, 1986. –544 с. 2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для ВУЗов. –М.: Машиностроение, 1990. –528 с. 3. Журавлев В.Н., Никонова О.И. Машиностроительные стали: Справочник. –М.: Машиностроение, 1981. –380 с. 4. Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. –М.: Металлургия, 1985. –256 с. 5. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Азотирование стали. –М.: Машиностроение, 1976. –256 с. 6. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Справочник. Борисенок Г.В., Васильев Л.А., Ворошнин Л.Г. и др. –М.: Металлургия, 1981. –424 с. 7. Журнал «Металловедение и термическая обработка металлов». 8. Журнал «Заводская лаборатория». 9. Журнал « Физика и химия обработки материалов». 10. Реферативный журнал «Металлургия».

Приложение 1 Министерство образования РФ Восточно-Сибирский государственный технологический университет Кафедра «Металловедение и технологии металлов» Допущен к защите Руководитель уч. степень, уч. звание ФИО ________________________ «_____»____________200 г.

КУРСОВАЯ РАБОТА по дисциплине «Химико-термическая обработка металлов и сплавов» на тему «……………………………………………………….»

Студент (ка) 5курса, гр. _____ ____ Фамилия, И.О.

Улан-Удэ – 200

Приложение 2 Результаты определения микротвердости № п/п

Нагрузка (Р), гр.

Диагональ отпечатка (d), мкм

Микротвердость (HV), кг/мм²

Подписано в печать 11.03.2004 г. Формат 60×84 1/16 Усл.п.л. 0,93, уч.-изд. л. 0,7 Тираж 50 экз. Заказ №28 Отпечатано в типографии ВСГТУ. г.Улан-Удэ, ул.Ключевская, 40, в © ВСГТУ, 2004 г.