Методическая разработка конспекта учебного занятия по дисциплине «Материаловедение» Тема: «Химико-термическая обработка сплавов» для студентов 2 курса специальности 15.02.08 Технология машиностроения (углубленная подготовка)

1. Введение

5

1. Технологическая карта учебного занятия

6

1. Ход занятия

8

1. Дидактические материалы к учебному занятию

18

1. Список использованных источников

27

1. Оргмомент

Здравствуйте. Садитесь, я рада вас видеть

и уверена, что наша работа будет

будет успешной.

Какую тему мы изучаем?

Тема «Химико-термическая обработка сплавов»

В рамках этой темы мы проводим семинарско-практическое занятие.

Какие вопросы выносим на семинарское занятие?

Основные виды ХТО:

- цементация стали

- азотирование и борирование стали

- нитроцементация стали

- диффузионная металлизация стали

Какие цели ставим при изучении этих вопросов?

1.Повторить основные понятия из темы «Термическая обработка»

2. Изучить:

сущность химико- термической обработки стали.

3. Изучить:

виды химико-термической обработки и диффузионной металлизации.

Чему мы должны научиться в ходе практической работы?

- Выбирать марки сталей для деталей машин и механизмов

- Определять механические свойства выбранной стали

- Определять виды и режимы термической и химико-термической обработ­ки

Насколько важна для Вас эта тема , как для будущих специалистов по технологии машиностроения?

- Я думаю, тема « Химико-термическая обработка сплавов» важна, т.к. эта обработка приводит к изменению структуры и свойств сплава, а это необходимо знать при выборе марки материалов для изготовления разных деталей.

- Знание этой темы необходимо cпециалисту по технологии машиностроения при проектировании технологических процессов.

А Вы уже знакомы с видами термической обработки сплавов?

- Да мы были на экскурсии на предприятии ООО «Гидрометприбор», где знакомились с термической обработкой.

На какие вопросы, которые мы уже изучили, мы будем опираться при изучении данной темы?

- основные факторы термической обработки

- виды термической обработки металлов

Дайте определение термической обработки стали и чугуна?

- термической обработки стали и чугуна называют процессы теплового воздействия с целью изменения структуры и свойств сплава.

Назовите основные факторы термической обработки?

-Температура

- Время нагрева

- Скорость нагрева и охлаждения.

Назовите основные виды термической обработки стали.

-Отжиг

- Закалка

Отпуск

- Нормализация

Чем отличаются между собой отжиг, закалка и отпуск?

-Температурой нагрева

- Временем выдержки

- Способом охлаждения (вместе с печью или на воздухе).

1. Актуализация опорных знаний

- А сейчас я предлагаю Вам проверить себя, насколько вы усвоили материал темы «Термическая обработка сплавов». Мы заранее с Вами разбились на 4 группы. Каждой группе было дано задание: выбрать слесарный инструмент, определить марку стали для его изготовления, подобрать режим термической обработки. Время на ответ каждой группы 1-2 минуты. Все остальные слушайте внимательно, будьте готовы прокомментировать ответ и дополнить при необходимости.

Выступают представители групп.

1 группа –зубило и бородок

2 группа – кровельные ножницы

3 группа –гаечный ключ

4 группа -отвёртка

1. Основной этап

Итак, мы с вами обобщили вопрос «Термическая обработка сплавов» и переходим к основному вопросу нашего занятия «Химико – термическая обработка сплавов»

Что называется ХТО?

- Химико-термической обработкой называется процес, представляющий собой сочетание термического и химического воздействия.

Существует несколько видов химико-термической обработки сталей, перечислите?

- Насыщение поверхностного слоя детали углеродом называют цементацией,

- азотом — азотированием,

- одновременно углеродом и азотом — нитроцементацией,

- металлом — диффузионной металлизацией.

Перечислите основные процессы ХТО?

• - диссоциация – распад молекул и образование активных атомов насыщенного элемента

• - адсорбция – поглощение поверхностью металла свободных атомов

• - диффузия – перемещение атомов насыщающего элемента с поверхности в глубь металла.

Как я сказала, мы разделились на 4 группы. Каждая группа должна была подробно изучить виды химико-термической обработки, заполнить таблицу по видам ХТО и подготовить презентации в соответствии с планом (план презентации можно посмотреть на слайде)

План составления презентации

1.Определение

2.Цель

3.Ход процесса (среда, температура, время)

4.Преимущества, недостатки.

5. Область применения.

Какую презентацию готовила

1 группа – цементацию, 2 группа – азотирование и борирование, 3 группа – нитроцементацию, 4 группа – диффузионную металлизацию.

Предоставляем слово 1 группе.

Все остальные слушайте внимательно, будьте готовы прокомментировать ответ и дополнить при необходимости.

1 группа – Цементация (презентация)

Цементация - процесс химико-термической обработки, представляющий собой диффузионное насыщение поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в соответствующей среде (древесный уголь, природные газы и др.).

Цель цементации — получить высокую поверхностную твердость и износостойкости при вязкой сердцевине, что достигается обогащением поверхностного слоя стали углеродом в пределах 0,8-1,0% и последующей термической обработкой. Цементации подвергают детали, изготовленные из малоуглеродистых сталей (0,1...0,3 % С) марок 10, 15, 20 или легированных малоуглеродистых сталей 15Х, 20Х, 18ХГТ и др. После цементации производят закалку изделия.

Цементацию проводят в твердых и газообразных и жидких углеродсодержащих средах.

Цементация в твердой среде (карбюризаторе) состоит в следующем. Карбюризатором служат мелкие куски древесного угля, покрытые углекислыми солями бария и натрия, которые ускоряют процесс цементации. Детали помещают в специальный стальной ящик, засыпают со всех сторон карбюризатором и ящик накрывают крышкой. Расстояние между деталями и стенками ящика должно быть не менее 10...15 мм. Чтобы не было доступа воздуха, разъем ящика обмазывают глиной. Затем ящик, помещают в термическую печь и нагревают до

Т=900...950°С

Выдержка 7...10 ч.

Толщина слоя 0,7..,1,5 мм.

При этой температура древесный уголь разлагается и атомы углерода насыщают поверхности деталей. Ящик после цементации охлаждают на воздухе до температуры 300...400°С, извлекают из него детали, после чего про изводят термическую обработку деталей, как правило, закалку с последующим низким отпуском.

Печь для твердой цементации

Газовая цементация осуществляется нагреванием изделий в среде углеродсодержащих газов (природный газ или пропан-бутановая смесь). Газовая цементация— более эффективный процесс, чем цементация в твердом карбюризаторе, так как отпадает необходимость в ящиках, которые следует нагревать, процесс легче автоматизируется и более экономичен. Кроме того, можно непосредственно из печи, где производится цементация, выполнять термообработку деталей. Время на цементацию и термообработку сокращается более чем в два раза. Цементации подвергаются стальные детали, работающие на истирание и испытывающие ударные нагрузки: валики, зубчатые колеса, поршневые пальцы, кулачки, пальцы звеньев гусениц и др.

Т=920-930°С

Выдержка 3-4 часа

Охлаждение –воздух

Печь для газовой цементации

Жидкая цементация- она предназначена для мелких деталей(например болты, винты и т.д.)
Жидкая цементация проводиться путём погружения детали в печь с раствором бензина(керосина)+BaCl2=CnHm.
Т-840-860°С
Время выдержки 6часов
Охлаждение-воздух

Печь для жидкой цементации

2 группа – азотирование и борирование (презентация)

Азотирование–процесс химико-термической обработки, представляющий собой диффузионное насыщение поверхностного слоя стали азотом.

Цель азотирования - получение поверхности деталей высокой твердости, износостойкости, высокой коррозионной стойкостью.

Азотированию подвергаются детали, изготовленные из среднеуглеродистых легированных сталей марок 35ХМЮА и 38ХМЮА (цилиндров двигателя, насосы, зубчатых колес, валов, гильз и детали штампов шейки коленчатых валов, многие детали станков).

Азотирование проводят по одноступенчатому режиму при нагреве детали до

Т= 500...700°С в атмосфере аммиака

выдержка 90 часов

или по двухступенчатому режиму:

Т = 500...520°С

выдержкой 15-20 часов,

Т = 550...570°С,

выдержка 20-25 часов.

Толщина слоя 0,3-0,6 мм.

Твердость, азотированного слоя сохраняется при нагревании до температуры 600...650°С.

Борирование- это процесс химико-термической обработки заключающийся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали бором.

Цель: повышение износостойкости  (в условиях сухого трения, скольжения со смазкой и без смазки, абразивного изнашивания), повышение коррозийной стойкости железоуглеродистых сплавов во многих агрессивных средах и жаростойкости при температурах ниже 850 С⁰

Борированию подвергают детали, применяемые в оборудовании нефтяной промышленности: втулки нефтяных насосов. Недостаток – слой обладает хрупкостью.Газовоеборирование проводят в специальных установках за счет разложения газообразных соединений бора. Газовое борирование проводят при

Т=800-850°С.

Время выдержки от 2 до 6 ч.

Толщина слоя от 0,5 -1мм.

Ионное азотирование и кабонитирование

Процесс осуществляется в азотсодержащей газовой среде под воздействием тлеющего электрического разряда между катодом (деталями) и анодом (стенками вакуумной камеры). В результате формирования активной плазмы — ионизированного газа активно образуются различные модификации диффузионных покрытий, обладающие высоким качеством.

Сферы применения технологий ионного азотирования и карбонитрирования весьма обширны, это без исключения все отрасли промышленности.

3 группа – нитроцементация (презентация)

Поверхностное насыщение стали одновременно углеродом и азотом в расплавленной цианистой соли называется цианированием, а в газовой среде – нитроцементацией.

Цель цианирования (нитроцементации)- получение высокой твердости и износостойкости поверхности деталей с сохранением пластичной сердцевины.

Цианирование в зависимости от используемой среды цианирование проводят: в твердых средах; жидких средах; газовых средах. В зависимости от температуры нагрева цианирование подразделяется нанизкотемпературное и высокотемпературное.

Цианирование в жидких средах производят с расплавленными солями в ваннах.

Газовое цианирование производится в специально герметически закрытых печах.

Высокотемпературное цианирование проводят при

Т= 800…950 С.

Выдержка от 1,5 до 6 часов.

Толщина слоя от 0,5 до 2мм.

После высокотемпературного цианирования детали подвергают закалке и низкому отпуску.

Применяют в автомобильной и тракторной промышленности для мелких деталей из среднеуглеродистых сталей, работающих при небольших удельных нагрузках, а также для режущего инструмента из быстрорежущей стали. Для упрочнения валов, осей, зубчатых колёс и других деталей, работающих при значительных знакопеременных нагрузках.

Основным недостатком цианирования является ядовитость цианистых солей.

При нитроцементации изделия нагревают при

Т=840—860°С в среде природного газа и аммиака.

Выдержка в течении 8-10часов

Толщина слоя 0,25-1мм.

Глубина слоя зависит от температуры и продолжительности выдержки. После нитроцементации следует закалка, затем проводят отпуск при 160 – 180 ˚С. Нитроцементации подвергают детали сложной конфигурации, всевозможные шестерни склонные к короблению, шестерни привода масляного насоса в автомобилестроении, пальцы задних рессор, валики и т.д.

4 группа – диффузионная металлизация (презентация)

В настоящее время все

большее распространение получают процессы многокомпонентного диффузионного насыщения.

Диффузионная металлизация — это процесс насыщения поверхности стали алюминием, хромом, цинком и другими металлами, придающими ей те или иные свойства.

Цель: повышение жаростойкости, коррозионной стойкости, износостойкости и твердости.

Диффузионную металлизацию можно проводить в твёрдых, жидких, газообразных средах.

При диффузионной металлизации в твердых средах применяют порошкообразные смеси, состоящие из ферросплавов с добавлением хлористого аммония в количестве 0,5-5%.

Жидкая диффузионная металлизация осуществляется погружением детали в расплавленный металл (цинк, алюминий и др).

При газовом способе насыщения применяют летучие хлористые соединения металлов, образующиеся при взаимодействии хлора с металлами при высоких температурах .

Диффузионная металлизация
(алитирование)

Наиболее изученным в настоящее

время является процесс алитирования.

Алитирование - это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали алюминием.

Алитирование проводят в средах:твердых и жидких.

Цель: для повышения жаростойкости, окалиностойкости и коррозионной стойкости в атмосфере и морской воде.

Алитирование в твердой среде при

Т = 850 -900 С⁰

Время выдержки от 3-12часов

Глубина слоя 0,3 – 0,5 мм

Алитирование в твердой среде при

Т = 750 -800 С⁰

Время выдержки от 45 – 90 минут

Глубина слоя 0,20 – 0,35 мм

Диффузионная металлизация
(хромирование)

Хромирование - это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали хромом

Цель: получение высокой твердости, износостойкости, жаростойкости и коррозионной стойкости поверхности стальных изделий.

Хромирование проходит в твердой, жидкой и газовой средах.

Жидкостное хромирование проводят путем нагрева детали в ванне:

Т = 900 -1100 С⁰

Время выдержки от 5-20часов

Глубина слоя 0,1 – 0,3 мм

Диффузионная металлизация
(силицирование)

Силицирование - процесс химико-термической обработки, заключающийся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали кремнием.

Цель: получение коррозионной стойкости и жаростойкости поверхности стальных деталей

Силицирование проводят в газовых средах при

Т = 950—1100 °C,

выдержка 2-5 часов

глубина слоя 0,6- 1,4 мм.

Применение:

Силицированию подвергают детали, используемые в оборудовании химической, бумажной и нефтяной промышленности(валики насосов, 

трубопроводы, арматура, гайки, болты) и деталей, работающих в агрессивных средах.

После силицирования детали устойчивы к работе в азотной серной и соляной кислотах.

Диффузионная металлизация

• Применение металлизации, используются для нанесения защитного слоя на подложки из различных металлов, сплавов и неметаллических материалов (пластмассы, стекла, керамика, бумага, ткани и др.).

• Металлизация находит применение в электротехнике, радиоэлектронике, оптике, ракетной технике, автомобильной промышленности, судостроении, самолётостроении и др. областях техники.

• Алитированию подвергают трубы, инструмент для литья цветных сплавов, чехлы термопар, детали газогенераторных машин и т.д.

• Хромирование применяют для пароводяной арматуры, клапанов,

вентилей.

-Давайте оценим работу групп, соответствуют ли презентации указанному плану.

- Да, соответствуют.

- Даны определения химико-термической обработки.

- Указаны цели ХТО.

- Определён ход процесса, указаны: среда, температура, время.

- Указаны преимущества и недостатки.

- Указаны области применения ХТО.

- А какие трудности у Вас возникли при заполнении таблицы видов ХТО?

- ………….

- А сейчас я предлагаю Вам проверить себя, насколько вы усвоили материал темы «Химико-термическая обработка сплавов» и выполнить разноуровневый тест. Тест состоит из 10-ти вопросов. Внимательно изучите инструкцию перед каждым уровнем. Время на выполнение теста 5 мин.

Эталон ответа и критерии оценки выводятся на экран.

Давайте подумаем, достигли ли мы поставленных целей нашего семинарского занятия?

- Да, достигли.

- Повторили основные понятия из темы «Термическая обработка»

2. Изучили:

сущность химико- термической обработки стали.

3. Изучили:

виды химико-термической обработки и диффузионной металлизации.

- А теперь перейдем к выполнению практической работы. Давайте определим алгоритм выполнения работы.

- Выбирать марку стали для зубчатых колес диаметром 60 мм коробки перемены передач.

- Определять механические свойства выбранной стали

- Определять виды и режимы термической и химико-термической обработ­ки

- Чем Вы будите пользоваться при решении практической работы?

-Мы будем пользоваться справочной литературой

Перейдём к выполнению практической работы. Время на выполнение 7 минут.

1. Анализ и оценка выполненной работы и степени овладения студентами запланированного умения

Подведем итоги нашей практической работы. Традиционно, на ваших столах находятся контрольные ведомости. Заполните их как всегда последовательно, по пунктам отметьте, как вы справились с заданием.( время 1минута)

Контрольные ведомости, карты отчёта, таблицы и тесты сдайте мне в конце занятия. Учитывая, вашу работу на занятии и ваш самоанализ каждому будет выставлена оценка и озвучена на следующем занятии.

5. Подведение итогов урока. Рефлексия

Наше семинарско - практическое занятие закончилось.

Давайте подведем итоги урока. Над какой темой мы работали?

Тема «Химико-термическая обработка сплавов»

- Какие цели ставили в ходе практического занятия?

- Выбирать марки сталей для деталей машин и механизмов

- Определять механические свойства выбранной стали

- Определять виды и режимы термической и химико-термической обработ­ки

-Достигли мы этих целей?

- Да

-Для чего Вам необходимы полученные умения?

- Полученные знания и умения пригодятся

при работе на предприятиях.

- Мы завершили изучение темы Химико-термическая обработка сплавов».

Запишите в конспект домашнее задание.

Я довольна вашей работой и благодарю Вас за сотрудничество. На следующем занятии мы приступим к изучению новой темы

«Конструкционные материалы на основе цветных металлов». Занятие пройдет в форме лекции.

Работа со справочной литературой

1. 1.Для детали, изготовленной из стали 18ХГТ, выбрать режим химико-термической обработки.

2.Объяснить, почему для стали марки 35ХМЮА необходимо азотирование

Типовые примеры

марок цементуемых сталей

Механические свойства сердцевины

деталей

Предел прочности

_в, МПа

Предел текучести

_0,2, МПа

1. Малонагруженные детали машин (прокаливаемость при закалке малая; _0,2  300 МПа)

Углеродистые стали марок 10, 15, 20

380…460

245…300

2. Средненагруженные детали машин (прокаливаемость при закалке в

сечениях 10…20 мм; _0,2  700 МПа)

Легированные стали марок 15Х, 20Х, 15ХР, 20ХН и др.

730…830

590…700

3. Высоконагруженные детали машин (прокаливаемость при закалке в зависимости от марки стали от 20 до 100 мм; _0,2  1080 МПа)

Легированные стали марок 25ХГТ, 20ХГР, 25ХГМ, 12ХН3А, 12Х2Н4А, 15ХГН2ТА, 20ХН2М и др.

980…1270

830…1080

Типовая глубина упрочняемого слоя, мм

Упрочняющая обработка

Твердость

поверхностного слоя

HV

HRC

0,1…0,2

Борирование

1800…2000

-

0,3…0,5

Азотирование

850…1050

65…68

0,2…0,8

Нитроцементация, закалка и низкий отпуск

-

58…64

0,5…1,0

Лазерное термоупрочнение

950…1200

67…72

0,8…1,5

Цементация, закалка и низкий отпуск

-

58…62

1,5…2,0

Объемно-поверхнастная

закалка и низкий отпуск

-

58…61

1,6…5,0

Поверхностная индукционная

закалка ТВЧ и низкий отпуск

-

45…55

Марка

стали

Рекомендуемое максимальное поперечное рабочее сечение, мм

Температура

закалки, ⁰С

Механические свойства

_в, МПа

_0,2, МПа

,

%

,

%

20Х

35

820

650

800

11

40

18ХГТ

35

870

900

1000

9

50

20ХГР

40…60

880

800

1000

9

50

20ХГМ

60…80

860

1100

1200

10

45

30ХГТ

60…80

850

1300

1500

9

40

12Х2Н4А

100…120

800

110

1300

9

45

18Х2Н4МА

более 120

860

850

1150

12

50

Вид химико-термической обработки

Поверхностный слой изделия насыщают …….

Детали, подвергаемые, химико-термической обработке

Цель химико-термической обработки

В каких средах проходит ХТО

Глубина слоя

Температура нагрева, время выдержки

Цементация

Азотирование

Борирование

Нитроцементация (цианирование)

Диффузионная металлизация:

-алитирование

Диффузионная металлизация:

-хромирование

Диффузионная металлизация:

-силицирование

Основные показатели оценки результата

Баллы

1. Результаты теоретических знаний «Тестирование»

2. Результаты практических умений

Правильно определить основные способы поверхностного упрочнения в соответствии с заданием:

- Не умею

- Умею

- Свободно определяю

0

1

2

Правильно определить основные способы поверхностного упрочнения в соответствии со справочными материалами:

- Не умею

- Умею

- Свободно определяю

0

1

2

Правильно определить предел текучести в сердцевине в соответствии с заданием:

- Не умею

- Умею

- Свободно определяю

0

1

2

Правильно определить предел текучести в сердцевине в соответствии со справочными материалами:

- Не умею

- Умею

- Свободно определяю

0

1

2

Правильно выбрать марку стали для зубчатых колес диаметром 60 мм коробки перемены передач.

- Не умею

- Умею

- Свободно выбираю

0

1

2

Правильно определить механические свойства выбранной стали в соответствии со справочными материалами:

- Не умею

- Умею

- Свободно определяю

0

1

2

Результаты оценки

Шкала отметок

Оценка деятельности

Количество баллов

Процент выполнения

«Отлично»

19-22 баллов

85%-100%

«Хорошо»

15-18 баллов

70%-84%

«Удовлетворительно»

11-14 баллов

50%-69%

«Неудовлетворительно»

менее 11 баллов

Менее 50%