Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Химико-термическая обработка стали

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Волжский Государственный Инженерно-Педагогический Университет

Автомобильный институт

Кафедра Строительства и сварочных технологий

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Выполнил студент:

гр. АСЗ-10-3

Канюшков В.Н.

Проверил преподаватель:

Китова Г.Н.

Н.Новгород

2011 г.

Содержание

Общая характеристика процессов химико-термической обработки стали. 3
Цементация 5
Азотирование 12
Нитроцементация 16
Список используемой литературы 18

Химико-термическая обработка стали.

I Общая характеристика процессов химико-термической обработки стали.

Химико-термической обработкой называют поверхностное насыщение стаи соответствующим элементом (например, углеродом, азотом, алюминием, хромом и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды при высокой температуре.

Процесс химико-термической обработки включает три элементарные стадии: 1. Выделение диффундирующего элемента в атомарном состоянии благодаря реакциям, протекающим во внешней среде; 2. Контактирование атомов диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия и проникновение (растворение) их в решетку железа (адсорбция); 3. Диффузия атомов насыщающего элемента в глубь металла.

Скорость диффузии атомов насыщающего элемента в решетку железа неодинакова. При насыщении углеродом или азотом, образующим с железом твердые растворы внедрения, диффузия протекает быстрее, чем при насыщении металлами, образующими твердые растворы замещения.

Если энергия активации Q для углерода или азота в γ-железе составляет 31-32 ккал/(г·атом), то энергия активации для элементов, образующих с железом твердые растворы замещения (Cr, Mo, W, Al и др.), превышает 60 ккал/(г·атом), поэтому при диффузионном насыщении металлами процесс ведут при более высоких температурах и длительно и, несмотря на это, получают меньшую толщину слоя, чем при насыщении азотом, и особенно углеродом.

Толщина проникновения (диффузия) зависит от температуры и продолжительности насыщения (рис. 1)

Рис. 1. Зависимость толщины диффузионного слоя от продолжительности насыщения (а), температуры (б) и изменение концентрации по толщине диффузионного слоя (в).

Толщина диффузионного слоя x в зависимости от продолжительности процесса τ при данной температуре обычно выражается параболической зависимостью. Следовательно, с течением времени скорость увеличения толщины слоя непрерывно уменьшается (рис. 1,а). толщина диффузионного слоя, при прочих равных условиях, тем больше, чем выше концентрация диффундирующего элемента на поверхности металла (рис. 1,в).

Концентрация диффундирующего элемента на поверхности зависит от активности окружающей среды, обеспечивающий приток атомов этого элемента к поверхности, скорости диффузионных процессов, приводящих к переходу этих атомов в глубь металла, состава обрабатываемого металла, состава и структуры образующихся фаз. Повышение температуры, увеличивает скорость процесса диффузии, поэтому толщина диффузионного слоя, образующегося за данный отрезок времени, сильно возрастает с повышением температуры процесса (рис. 1,в).

Природа первичных образований, фазовый состав и изменение концентрации по толщине диффузионного слоя могут быть описаны диаграммой состояния: металл растворитель – диффундирующий элемент.

Покажем это на диаграммах состояния железо – диффундирующий элемент (Cr, Al, Si и др.). При температуре t₁ (рис. 2) диффузия протекает в решети α без фазовых превращений. Следовательно, при температуре насыщения существуют только α-твердый раствор и концентрация диффундирующего элемента постепенно уменьшается от максимальной на поверхности до нуля на некоторой глубине.

Диффузионный слой по микроструктуре можно определить только из-за несколько большей или иной его травимости. Насыщение при температуре t₂ сопровождается фазовой перекристаллизацией при температуре диффузии. Диффузия первоначально протекает в γ-фазе, а по достижении на поверхности предела растворимости происходит фазовая перекристаллизация γ→α. Зародыши α-фазы от поверхности растут по направлению диффузии, образуя характерные столбчатые кристаллиты.

На границе раздела двух фаз (γ и α) устанавливается перепад концентрации (см. рис. 2), а в микроструктуре (после охлаждения) обнаруживается пограничная диффузионная линия. Существенно, что двухфазные слои (γ+α) при температуре диффузии не могут образовываться, а могут возникнуть только в результате превращений во время охлаждения. При насыщении легированной стали при температуре диффузии могут возникнуть многофазные слои.

Рис. 2. Схема диаграммы состояния железо – диффундирующий элемент, характеризующего элемента по толщине диффузионного слоя и строение диффузионного слоя

II Цементация

Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Различают два основных вида цементации: твердым углеродсодержащими смесями (карбюризаторами) и газовую. Целью цементации является получение твердой и износостойкой поверхности, что достигается обогащение поверхностного слоя углеродом и последующей закалкой с низким отпуском. Цементация и последующая термическая обработка одновременно повышают и предел выносливости.

Для цементации обычно используют низкоуглеродистые стали (0,12 – 0,23% С). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохранял высокую вязкость после закалки.

Для цементации детали поступают после механической обработки с припуском на шлифование 0,05 – 0,10 мм или после окончательной обработки (например, автомобильные шестерни). Во многих случаях цементации подвергаются только часть детали; тогда участки, не подлежащие упрочнению, защищают тонким слоем меди (0,02 – 0,05 мм), которую наносят электролитическим способом, или изолируют специальными обмазками, состоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста или окиси алюминия и талька, замешанных на жидком стекле и др.

Механизм образования и строение цементованного слоя.

Диффузия углерода в сталь возможна только в том случае, если углерод находится в атомарном состоянии, получаемом, например, диссоциацией газов, содержащих углерод (CO, CH₄ и др.). атомарный углерод адсорбируется поверхностью стали и диффундирует в глубь металла.

Цементация, как правило, проводя т при температурах выше точки Ас₃, при которых устойчив аустенит, растворяющий в больших количествах углерод. При цементации стали атомы углерода диффундируют в решетку γ-железа.

При температуре цементации (выше точки Ас₃) диффузионный слой состоит только из аустенита, а после медленного охлаждения – из продуктов его распада: феррита и

цементита (рис. 3,а). Концентрация углерода при этом обычно не достигает предела насыщения (C_max) при данной температуре.

Рис. 3. Диаграмма состояния Fe - Fe₃C (а), изменение содержания углерода, твердости после закалки (б), и микроструктуры после медленного охлаждения (в, х 250) по толщине цементованного слоя.

Цементированный слой имеет переменную концентрацию углерода по глубине, убывающую от поверхности к сердцевине детали (рис. 3,б). В связи с этим после медленного охлаждения в структуре цементованного слоя можно различить (от поверхности к сердцевине) три зоны (рис. 3,в): заэвтектоидную 1, состоящую из перлита и вторичного цементита, образующего сетку бывшему зерну аустенита; эвтектоидную 2, состоящую из одного пластичного перлита, и доэвтектоидную 3 – из перлита и феррита. Количество феррита в этой зоне непрерывно возрастает по мере приближения к сердцевине.

За эффективную толщину цементированного слоя принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половины переходной (доэвтектоидной) зон (см. рис. 3,в) или глубину распространения контрольной твердости свыше определенного значения. В качестве контрольно твердости (после термической обработки) применяют: 1) твердость HRC 50, характеризующую суммарную глубину эвтектоидной зоны и половины переходной зоны (до 0,45% С); 2) твердость HV 540 – 600 (в зависимости от марки стали) при нагрузке 1 – 5 кг.

Толщина (эффективная) цементованного слоя обычно составляет 0,5 – 1,8 мм. Чем выше температура, тем больше толщина слоя, получаемая за данный отрезок времени.

Концентрация углерода в поверхностном слое должна составлять 0,8 – 1,0%. Для получения максимального сопротивления контактной усталости количество углерода может быть повышенно до 1,1 – 1,2%. Более высокая концентрация углерода вызывает ухудшение механических свойств цементуемого изделия.

Легирующие элементы, присутствующие в стали, оказывают влияние на структуру цементируемого слоя, механизм его образования и скорость диффузии. В случае цементации сталей, легированных карбидообразующих элементами, при температуре диффузии возможно образование двухфазного слоя – аустенит и карбиды, имеющие глобулярную форму. В этом случае средняя суммарная концентрация углерода на поверхности может превышать растворимость углерода в аустените при данной температуре. Нередко концентрация углерода в сталях, содержащие Cr, Mn, W, Mo или V, достигает 1,8 – 2,0%.

Легирующие элементы в том количестве, в котором они присутствуют в цементуемых сталях, на толщину слоя практически влияния не оказывают.

Цементация твердым карбюризатором.

В этом процессе насыщающей средой является древесный уголь (дубовый или березовый) в зернах поперечником 3,5 – 10 мм или каменноугольный полукокс и торфяной кокс, к которым добавляют активизаторы: углекислый барий (BaCO₃) и кальцинированную соду (Na₂CO₂) количестве 10 – 40% от массы угля.

Широко применяемый карбюризатор состоит из древесного угля, 20 – 35% BaCO₃ и ~3,5% CaCO₃¹ Рабочую смесь, применяемую для цементации, составляют из 25 – 35% свежего карбюризатора и 65 – 75% отработанного. Содержание BaCO₃ в такой смеси 5 – 7%, что обеспечивает требуемую толщину слоя и исключает образование грубой цементитной сетки на поверхности.

Изделия, подлежащие цементации, после предварительной очистки укладывают в ящики: сварные стальные или, реже, литые чугунные прямоугольной формы. При упаковке изделий на дно ящика насыпают и утрамбовывают слой карбюризатора толщиной 20 – 30 мм, на который укладывают первый ряд деталей, выдерживая расстояние между деталями и до боковых стенок ящика 10 – 15 мм. Затем засыпают и утрамбовывают другой ряд деталей и т.д. Последний (верхний) ряд деталей засыпают слоем карбюризатора толщиной 35 – 40 мм с тем, чтобы компенсировать возможную его усадку. Ящик накрывают крышкой, кромки которой обмазывают огнеупорной глиной или смесью глины и речного песка. После этого ящик помещают в печь.

Нагрев до температуры цементации (910 – 930 ˚С) составляет 7 – 9 мин. на каждый сантиметр минимального размера ящика. Продолжительность выдержки при температуре цементации для ящика с минимальным размером 150 мм составляет 5,5 – 6,5 ч для слоя толщиной 0,7 – 0,9 мм и 9 – 11 ч для слоя толщиной 1,2 – 1,5 мм. При большом размере ящика (минимальный размер 250 мм) для получения слоя толщиной 0,7 – 0,9 мм продолжительность выдержки равна 7,5 – 8,5 ч, а при толщине 1,2 – 1,5 мм – 11 – 14 ч.

После цементации ящики охлаждают на воздухе до 400 – 500 ˚С и затем раскрывают.

Цементацию стали проводят атомарным углеродом. При цементации твердым карбюризатором атомарный углерод образуется следующим образом. В цементированном ящике имеется воздух, кислород которого при высокой температуре взаимодействует с углеродом карбюризатора, образуя окись углерода. Окись углерода в присутствии железа диссоциирует по уравнению

2CO→CO₂ + C_ат.

Углерод выделяющийся в результате этой реакции в момент его образования, является атомарным и диффундирует в аустенит. Добавление углекислых солей активизирует карбюризатор, обогащая атмосферу в цементационном ящике окисью углерода:

BaCO₃ + C→BaO + 2CO.

Газовая цементация.

Этот процесс осуществляют нагревом изделия в среде газов, содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе, поэтому ее широко применяют на заводах, изготовляющих детали массовыми партиями.

В случае газовой цементации можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, наполненных малотеплопроводным карбюризатором; обеспечивается возможность полной механизации процессов и значительно упрощается последующая термическая обработка изделий, так как можно производить закалку непосредственно из цементационной печи.

Наиболее качественный цементованный слой получается при использовании в качестве карбюризатора природного газа, состоящего почти полностью из метана (CH₄) и пропанбутановых смесей, подвергнутых специальной обработке, а также жидких углеродов. Основной реакцией, обеспечивающей науглероживание при газовой цементации, является диссоциация окиси углерода и метана:

2CO→CO₂ + C_ат.

или

CH₄→2H₂ + C_ат, Cат→Feγ=аустенит Fe_γ(С).

Процесс ведут при 910 – 930 ˚С, 6 – 12 ч (толщина слоя 1,0 – 1,7 мм)

В серийном производстве газовую цементацию обычно проводят в шахтных муфельных печах серии Ц (рис. 4). Шахтные печи серии Ц (Ц-35Б, Ц-60Б, Ц-75Б, Ц-105Б) имеют рабочую температуру 950˚С, единовременную загрузку 185 – 1100 кг, диаметр рабочего пространства 300 – 600 мм и высоту 600 – 1200 мм². Изделия в печь загружают на специальных подвесках и приспособлениях, которые помещают в реторте. Необходимая для газовой цементации атмосфера создается при подаче (с помощью специальной капельницы) в камеру печи жидкостей, богатых углеродом (керосин, синтин, спирты и т.д.). Углеводородные соединения при высокой температуре разлагаются с активного углерода и водорода.

Рис. 4. Шахтная муфельная электропечь серии Ц: 1 – футеровка; 2 – нагревательные элементы; 3 – муфель; 4 – решетка; 5 – загрузочная корзина; 6 – подставка под корзину; 7 – подставка под муфель; 8 – кожух; 9 – монтаж проводов; 10 – механизм подъема и поворота крышки; 11 – патрубок для отбора газа на анализ; 12 – газовая свеча; 13 – подвод карбюризатора; 14 – вентилятор; 15 – крышка.

На предприятиях с серийным масштабом производства также применяют камерные универсальные печи с герметизированной форкамерой и закалочным баком. В таких печах исключается контакт нагретых деталей с воздухом, предотвращается образование дефектов на поверхности изделий, снижается прочность.

В крупносерийном и массовом производстве газовую цементацию производят в безмуфельных печах непрерывного действия (рис. 5). В этих установках весь цикл химико-термической обработки (цементация, закалка и низкий отпуск) полностью механизирован и автоматизирован; производительность таких установок достигает 500 – 600 кг/ч и более. В этих печах обрабатываемые детали размещаются в поддонах, перемещаемых

Рис. 5. Безмуфельная печь непрерывного действия для газовой цементации:

1 – гидравлический толкатель; 2 – загрузочный тамбур; 3 – вентиляторы для циркуляции атмосферы печи; 4 – радиационные трубы для нагрева; 5 – охлаждающие трубы зоны подстуживания; 6 – разгрузочный тамбур; 7 – закалочный бак; 8 – горелки; 9 – маслонасосная установка; 10 – вытаскиватель поддона

толкателями вдоль рабочей камеры. Закалка производится непосредственно из цементационной печи. В печах непрерывного действия и камерных печах для цементации применяют эндотермическую атмосферу, в которую добавляют природный газ (92 – 95% эндогаза и 3 – 5% природного газа). Эндотермическая атмосфера (20% CO, 40% Н₂ и 40% N₂) получается частичным сжиганием природного газа или другого углеводорода в специальном эндотермическом генераторе при 1000 – 1200 ˚С в присутствии катализатора.

В генераторе протекает следующая реакция:

CH₄ + 0,5(O₂ + 3,8N₂) → CO + 2H₂ + 1,9N₂.

Основное преимущество эндотермической атмосферы – возможность автоматического регулирования углеродного потенциала, под которым понимают ее науглероживающую способность, обеспечивающую определенную концентрацию на поверхности цементованного слоя. Углеродный потенциал эндотермической атмосферы устанавливают о точке росы³ или содержанию в ней СО₂, поскольку концентрации водяных паров и СО₂ взаимосвязаны.

При небольшом содержании в эндотермической атмосфере СН₄ (до 5,0%) он не участвует непосредственно в процессе насыщения углеродом, а увеличивает содержание в атмосфере СО:

СН₄ + Н₂О ↔ СО + 3Н₂

СН₄ + СО₂ ↔ 2СО + 3Н₂

В этих условиях на поверхности стали практически не выделяется сажа и сохраняется однозначная зависимость между углеродистым потенциалом и содержанием Н₂О и СО₂ в атмосфере.

Для сокращения длительности процесса в промышленности широко используют газовую цементацию, при которой углеродный потенциал эндотермической атмосферы вначале поддерживают высоким, обеспечивающим получение в поверхностной зоне стали 1,2 – 1,3% С, а затем его снижают до 0,8%.

В печах непрерывного действия предусмотрены две зоны по длине печи. В первую зону, примерно соответствующую ⅔ длины печи, подают газ, состоящий из смеси природного и эндотермического газов (углеродный потенциал атмосферы 1,2 – 1,3% С). Во вторую зону подают только эндотермический газ, находящийся в равновесии с заданной концентрацией углерода на поверхности, обычно 0,8% С. При использовании этого метода цементации следует иметь в виду, что снижение содержания углерода в слое от 1,2 – 1,3% до 0,8% происходит только за счет углерода, растворенного в аустените. В случае легированной стали снижение в аустените концентрации углерода и легирующих элементов (в результате образования карбидов) приводит к уменьшению закаливаемости и прокаливаемости цементованного слоя и в итоге к ухудшению механических свойств обрабатываемого изделия. В процессе газовой цементации в сталь может диффундировать находящийся в атмосфере кислород. Это приводит к окислению, например, Cr, Mn, Ti и других элементов поверхностного слоя стали, обладающих большим химическим сродством к кислороду по сравнению с железом. Окисление легирующих элементов («внутреннее окисление») снижает устойчивость аустенита, и при последующей закалке в цементованном слое образуются трооститная сетка и окислы, что понижает твердость и предел выносливости стали. Добавки к цементирующей атмосфере (в конце процесса) аммиака уменьшает вредное влияние внутреннего окисления.

Азот, растворяясь в аустените, повышает его устойчивость, частично восполняя потери хрома и марганца. Однако следует иметь в виду, что при высоком содержании в атмосфере аммиака в диффузионном слое может образоваться так называемая темная составляющая (видимо, поры с окисленными стенками), снижающая механические свойства стали. Для устранения внутреннего окисления рекомендуется использовать стали, дополнительно легированные никелем и молибденом.

Скорость газовой цементации при температуре 930 – 950˚С составляет 0,12 – 0,15 мм/ч при толщине слоя до 1,5 – 1,7 мм.

Термическая обработка стали после цементации и свойства цементованных деталей.

Окончательные свойства цементованных изделий достигаются в результате термической обработки, выполняемой после цементации. Этой обработкой можно исправлять структуру и измельчить зерно сердцевины и цементованного слоя, неизбежно увеличивающихся во время длительной выдержки при высокой температуре цементации, получить высокую твердость в цементованном слое и хорошие механические свойства сердцевины; устранить карбидную сетку в цементованном слое, которая может возникнуть при насыщении его углеродом до заэвтектоидной концентрации.

В большинстве случаев, особенно при обработке наследственно мелкозернистых сталей, применяют закалку выше точки Ас₁ (сердцевины) при 820 – 850˚С.

Это обеспечивает измельчение зерна и полную закалку цементованного слоя и частичную перекристаллизацию и измельчение зерна сердцевины. После газовой цементации часто применяют закалку без повторного нагрева, а непосредственно из цементационной печи после подстуживания изделий до 840 – 860 ˚С, для уменьшения коробления обрабатываемых изделий. Такая обработка не исправляет структуры цементованного слоя и сердцевины, поэтому непосредственную закалку применяют только в случае, когда изделия изготовлены из наследственно мелкозернистой стали. Для уменьшения деформации цементованных изделий выполняют также ступенчатую закалку в горячем масле (160 – 180 ˚С).

После цементации термическая обработка иногда состоит из двойной закалки и отпуска. Первую закалку (или нормализацию) с нагревом до 880 – 890 ˚С (выше точки Ас₃ сердцевины) назначают для исправления структуры сердцевины. Кроме того, при нагреве в поверхностном слое в аустените растворяется цементитная сетка, которая уже вновь не образуется при быстром охлаждении. Вторую закалку проводят с нагревом до 760 – 780 ˚С для устранения перегрева цементованного слоя и придания ему высокой твердости. Недостаток такой термической обработки заключается в сложности технологического процесса, повышенном колебании, возникающем в изделиях сложной формы, и возможности окисления и обезуглероживания.

В результате термической обработки поверхностный слой приобретает структуру мелкоигольчатого мартенсита и изолированных участков остаточного аустенита (15 – 20%) или мартенсита, остаточного аустенита и небольшого количества избыточных карбидов в виде глобулей.

Заключительно операцией термической обработки цементованных изделий во всех случаях является низкий отпуск при 160 – 180 ˚С, переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое, отпущенный мартенсит, снимающий напряжения.

Твердость поверхностного слоя после термической обработки HRC 58 – 62.

При одинарной закалке высоколегированной сталей в структуре цементованного слоя сохраняется большое количество (до 50 – 60% и более) остаточного аустенита, снижающего твердость. Такие стали после закалки обрабатывают холодом, что способствует переводу большей части остаточного аустенита в мартенсит, в результате чего повышается твердость. Например, твердость хромоникелевой стали после цементации и закалки составляет HRC 52, а после обработки холодом возрастает до HRC 60 – 62.