Контрольная работа по "Металлургии". 5

1 Производство стали в конвертерах и электрических печах. Сравнение разных способов производства стали и экономических показателей

Процессы производства стали. При переделе в сталь чугуна, выплавленного  в доменной печи, из него окислением удаляют почти весь углерод и  весь кремний. Могут добавляться  в качестве легирующих элементов  марганец, никель или хром. В настоящее  время основным способом переработки  чугуна, выплавляемого в доменной печи, стал кислородно-конвертерный процесс, хотя кое-где еще применяется  мартеновский процесс. Важной особенностью производства стали является относительная  легкость ее повторного использования. И кислородный конвертер, и мартеновская печь могут работать с большим  процентом стального металлолома (скрапа), а электропечь - и на одном  скрапе. Это приобретает особенно важное значение в наши дни, когда обострилась проблема удаления отходов. Стоимость повторного использования в значительной мере зависит от качества металлолома. Металлолом, содержащий олово или медь, нежелателен в производстве стали, поскольку эти трудноудаляемые металлы ухудшают механические свойства стали. Наибольшую ценность представляет крупный металлолом, происхождение которого известно. Некоторые количества такого скрапа поступают с металлообрабатывающих заводов, а еще больше - после разборки устаревшего заводского и железнодорожного оборудования и разделки на металлолом морских и речных судов. Скрап в виде отработавших свой срок автомобилей и емкостей для продуктов питания менее ценен, так как он наверняка содержит медь и олово. Легирующие элементы обычно добавляют в сталь в виде ферросплавов. Ферросплавы содержат значительные количества железа, которое служит носителем легирующих элементов. К наиболее важным ферросплавам относятся ферромарганец (такой, как шпигель, или зеркальный чугун), необходимый для всех сталей; ферросилиций, применяемый для получения сталей со специальными магнитными свойствами и для раскисления сталей, выплавляемых в электропечах; феррохром и феррованадий. Никель добавляется в виде беспримесного металла.

Конвертерный процесс. В первой половине 20 в. первоначальный бессемеровский процесс постепенно утратил свое прежнее значение. Дело в том, что тепла, выделяющегося в бессемеровском конвертере, недостаточно для расплавления металлолома - более дешевого сырья, нежели горячий металл из доменной печи. Быстрое протекание плавки в бессемеровском конвертере не давало возможности провести анализы стали и скорректировать ее состав в соответствии со спецификациями. Мартеновский же процесс допускает значительный процент металлолома в загрузке печи, и реакции в нем протекают достаточно медленно, чтобы можно было успеть выполнить анализ в процессе плавки и провести коррекцию состава до выпуска металла

КИСЛОРОДНЫЙ КОНВЕРТЕР с  верхней продувкой. 1 - стальной кожух; 2 - огнеупорная футеровка; 3 - кислородная  фурма; 4 - завалка флюса; 5 - легирующие добавки; 6 - летка; 7 - ковш; 8 - заготовка; 9 - проволока; 10 - бесшовная труба; 11 - блюм; 12 - балка; 13 - толстолистовая сталь; 14 - листовая заготовка (сляб); 15 - листовой прокат.

Но в 1950-х годах конвертерный процесс производства стали снова  вернулся к жизни и в течение  следующих 35 лет полностью вытеснил мартеновский процесс, поскольку была разработана технология получения  дешевого чистого кислорода, позволившая  перейти с воздушного на кислородное дутье в конвертере. По этой технологии кислород в количествах, измеряемых тоннами, производят дробной (фракционной) перегонкой жидкого воздуха; для производства стали требуется кислород с чистотой 99,5%. Воздух - это на 80% азот, а азот - это инертный газ, не участвующий в реакциях конвертерной выплавки стали. Таким образом, в бессемеровском конвертере через расплавленный металл продувается большое количество бесполезного газа. Но этого мало - часть азота растворяется в стали. Последующее выделение растворенного азота в форме нитридов может приводить к ее последеформационному старению - постепенному уменьшению пластичности, которое приводит к трудностям при обработке давлением. Такого рода трудности отпадают, если металл в конвертере продувать не воздухом, а чистым кислородом. Но простой переход с воздуха на кислород в бессемеровском конвертере недопустим, так как из-за сильного разогрева фурм конвертер быстро выйдет из строя. Эта проблема была решена так: кислородное дутье подводится к поверхности расплавленного чугуна по трубе с водяным охлаждением. В 1952 35-тонный конвертер такого типа был успешно запущен в австрийском городе Линце на заводе фирмы VOEST. Такая технология, названная процессом ЛД (аббревиатура от Линца и Р.Дюррера, инженера фирмы), позднее была развита в кислородно-конвертерный процесс. Быстрая реакция окисления в конвертерной шихте, характеризующейся малым отношением площади поверхности к объему, сводит к минимуму потери тепла и позволяет вводить в шихту до 40% металлолома. Кислородный конвертер может каждые 45 мин выдавать 200 т стали, что в 4 раза превышает производительность мартеновской печи. Кислородный конвертер с верхней продувкой представляет собой грушевидный сосуд (с открытой узкой верхней горловиной) диаметром ок. 6 м и высотой ок. 10 м, облицованный изнутри магнезиальным (основным) кирпичом. Эта футеровка выдерживает примерно 1500 плавок. Конвертер снабжен боковыми цапфами, закрепленными в опорных кольцах, что позволяет наклонять его. В вертикальном положении конвертера его горловина находится под вытяжным колпаком дымоотводящего камина. Боковое выпускное отверстие, имеющееся с одной стороны, позволяет отделить металл от шлака при сливе. В конвертерном цеху рядом с конвертером обычно имеется загрузочный пролет. Сюда транспортируется в большом ковше жидкий чугун из доменной печи, а в стальных бункерах накапливается металлолом для загрузки. Все это сырье переносится к конвертеру мостовым краном. По другую сторону от конвертера расположен разливочный пролет, где имеются приемный ковш для выплавленной стали и железнодорожные тележки для транспортировки его на разливочную площадку. Перед началом кислородно-конвертерного процесса конвертер наклоняют в сторону загрузочного пролета и через горловину засыпают металлолом. Затем в конвертер заливают жидкий металл из доменной печи, содержащий около 4,5% углерода и 1,5% кремния. Предварительно металл подвергается десульфуризации в ковше. Конвертер возвращают в вертикальное положение, сверху вводят охлаждаемую водой фурму и включают подачу кислорода. Углерод в чугуне окисляется до CO или CO2, а кремний - до диоксида SiO2. По "течке" (загрузочному лотку) добавляется известь для образования шлака с диоксидом кремния. Со шлаком выводится до 90 % кремния, содержащегося в чугуне. Содержание азота в готовой стали сильно понижается благодаря промывающему действию CO. Приблизительно через 25 мин дутье прекращается, конвертер немного наклоняют, отбирают пробу и анализируют ее. При необходимости в корректировке можно снова возвратить конвертер в вертикальное положение и ввести в горловину кислородную фурму. Если же состав и температура расплава соответствуют спецификациям, то конвертер наклоняют в сторону разливочного пролета и через выпускное отверстие сливают сталь.

Кроме кислородно-конвертерного  процесса с верхней продувкой, существует кислородно-конвертерный процесс с  подачей кислорода в струе  топлива через днище конвертера. Фурмы в днище конвертера защищаются одновременной продувкой природного газа. Такой процесс быстрее протекает, он более производителен, чем процесс  с верхней продувкой, но менее  эффективен в отношении расплавления металлолома. Однако нижнюю продувку можно  сочетать с верхней.

Электрическая печь. Электропечи сначала применялись только для выплавки качественных инструментальных и нержавеющих сталей, выплавлявшихся до этого в тиглях. Но постепенно электропечи стали играть важную роль в производстве малоуглеродистой стали из металлолома в тех случаях, когда не требуется передела чугуна из доменной печи. В настоящее время ок. 30% нерафинированной стали выплавляется в электропечах. Наиболее распространены дуговые электропечи. Под дуговой сталеплавильной печи облицован огнеупорной кирпичной кладкой, свод охлаждается водой и может сдвигаться в сторону для загрузки печи. Через три отверстия в своде вводятся угольные электроды. Между электродами и металлоломом на поду печи зажигается дуговой разряд. В большой печи ток дуги может достигать 100 000 А. Плавка стали обычно производится следующим образом. Свод печи отводят в сторону, и на под печи осторожно загружают металлолом. После этого свод возвращают на место, а электроды опускают так, чтобы они на 2-3 см не доходили до верха загруженного металлолома. Зажигают дугу и по мере расплавления завалки постепенно увеличивают мощность. В печь вводят кислород для окисления углерода и кремния в завалке и известь для образования шлака. На этом этапе химия плавки такая же, как и в кислородно-конвертерном процессе. По окончании периода окисления отбирают пробу, анализируют ее и при необходимости корректируют состав. Затем выключают дугу, поднимают электроды, наклоняют печь и выпускают сталь в ковш. Электросталеплавильный процесс находит также важное применение в вакуумной плавке стали. Для этого обычно пользуются индукционными электропечами. Сталь помещают в графитовый тигель, окруженный медным змеевиком индуктора. На индуктор подается переменное напряжение высокой частоты. Вихревые токи, наводимые индуктором в графитовом тигле, нагревают его, поскольку удельное сопротивление графита довольно велико. Если тигель с индуктором помещен в вакуумную камеру, то сталь, плавясь в вакууме, освобождается от кислорода и других растворенных газов. В результате получается очень чистая сталь, не содержащая оксидов. Вакуумная плавка дорогостояща и применяется лишь в тех случаях, когда требуется особо прочная и надежная сталь, например для шасси самолетов. Улучшение механических свойств стали в результате вакуумной плавки связано с отсутствием частиц оксидов, на которых в обычной стали часто зарождаются трещины.

2 Медные и алюминиевые  руды. Главные процессы производства  меди и алюминия. Марки и применение

Алюминиевые руды. Бокситы являются важнейшим, наиболее качественным и доминирующим сырьем для производства алюминия. Бокситы состоят из водных окисей алюминия, железа и небольших количеств окислов кремния, титана и некоторых других элементов, а также водных алюмосиликатов. Содержание глинозема в них колеблется от 28 до 52% и более, а отношение глинозема к окиси кремния – от 2 до 12. По своему происхождению бокситы делятся на две основные группы: остаточные и осадочные. Остаточные бокситы – продукт латеризации или выветривания алюмосиликатных пород, при котором происходит разложение алюмосиликатов, вынос кремнекислоты, образование и накапливание гидратов окисей алюминия и железа. Большое распространение месторождения латеритовых бокситов имеют в тропической и субтропической зонах. Осадочные бокситы образовались за счет переносимых реками, а также грунтовыми водами растворов, суспензий и коллоидных соединений алюминия, железа, титана и многих других элементов,

 В бокситах обнаружено 42 химических элемента, в том числе  10 (О, H, С, А1, Si, Ti, Ca, Mg, Fe и S) входят в состав бокситов в наибольших количествах. Минералогический состав бокситов очень сложный, установлено, что в них содержится около 100 минералов. В зависимости от степени гидратизации бокситы подразделяются па маловодные (корундовые), одноводпые (диаспоровые и бемитовые) и трехводные (гидраргиллитовые или гибситовые). В СНГ месторождения бокситов находятся на Северном Урале, Южном Урале (бемитдиаспорового типа), на Среднем Урале и в Северном Казахстане (гидраргиллитового типа), а также в других районах. Нефелиновые руды состоят из нефелина, щелочных полевых шпатов, щелочных пироксепов, титаносиликатов и многих других минералов, представляющих собой комплексные соединения окислов алюминия, кремния, калия, натрия, кальция, магния и железа. В России перерабатываются на глинозем нефелиновые породы Кольского полуострова и Кия-Шалтырского месторождения в Сибири. В отличие от бокситов содержание кремнезема в нефелиновых рудах превышает содержание глинозема почти в два раза. Так, в нефелиновом концентрате из хвостов от обогащения апатитовых руд кремнезема содержится 43,1%, а глинозема 29,2%.

 Алуниты являются одним  из видов промышленного алюминиевого  сырья. В природе существует  две разновидности алунита: натриевая  и калиевая. Первая – с соотношением Na2O:К2О – = (1,7-1,6):1, вторая – с  соотношением 1:2 соответственно. Промышленные  месторождения алунитов представляют  собой изоморфную смесь этих  двух разновидностей с преобладанием  К2О над Na20. Состав алунита: 37,8% А12О3:11,4% (К, Na)2O; 38,6% SO3, 13% Н2О. В СНГ эксплуатируется Загликское месторождение в Азербайджанской Республике с содержанием алунита в породе 51%.

 Глины и каолины  являются одним из возможных  видов алюминиевого сырья. Месторождения  глин и каолинов, которые широко  применяются в качестве сырья  в химической промышленности  для производства огнеупоров  и в других отраслях народного  хозяйства, известны во многих  районах СНГ. Однако экономическая целесообразность их промышленного использования для производства алюминия в настоящее время не установлена.

 Сырьем для производства  алюминия и алюмокремниевых сплавов  электротермическим способом могут  служить также высокоглиноземистые  силикатные породы с достаточно  большим содержанием андалузита, силлиманита и кианита (дистена), а также диаспор содержащие кварциты, глины, каолины и некоторые разновидности бокситов.

Меди опесчаниковые руды представляют собой оруднелые осадочные горные породы, в которых сульфиды меди замещают породные минералы в песчаниках. Количество сульфидных минералов в руде не превышает 16%. Породообразующие минералы – кварц, полевой шпат, кальцит, хлорит, серицит и др.

 Основными рудными  минералами являются халькопирит,  халькозин, борнит. Присутствуют  также ковеллин, блеклая руда, пирит. Сопутствующие меди полезные компоненты – серебро и рений. В зоне окисления рудные минералы представлены малахитом, азуритом, броншантитом, купритом, хризоколлой и др. К сульфидным относятся руды, в которых содержание, окисленной меди не превышает 10%. Окисленными принято считать руды с содержанием окисленной меди выше 50-70%; промежуточное положение занимают смешанные руды.

 Главными медными минералами  медно-песчаниковых руд Джезказганского  месторождения являются борнит, халькозин халькопирит. При их  обогащении получаются концентраты  с высоким (до 40%) содержанием меди  и низким (не более 15%) содержанием  серы. Породообразующие минералы  представлены в основном кварцем.  Кроме медных руд, на Джезказганском  месторождении имеются участки  комплексных руд, содержащих наряду  с медью свинец и цинк

 Медно-порфировые руды, как правило, содержат молибден  в количествах, позволяющих извлекать  его в промышленном масштабе. К этому типу руд относятся  руды Коунрадского, Калымакырского, Бощекульского месторождений, а также медно-молибденовые руды Каджаранского, Сорского и Агаракского месторождений. Сульфидная фракция представлена в основном халькопиритом, халькозином, борнитом, пиритом, молибденитом и другими сульфидами. Общее количество сульфидных минералов в руде обычно не превышает 3-4%. По содержанию окисленной меди руды подразделяются на сульфидные (10-15%), смешанные (от 10-15 до 50-75%) и окисленные (более 50-75%). Наибольшее промышленное значение имеют сульфидные руды (90-95% всех запасов). Из сопутствующих ценных компонентов можно отметить рений и драгоценные металлы.

 Медные и медно-цинковые  колчеданные руды характеризуются  высоким содержанием сульфидных  минералов, представленных в основном  пиритом (50-100%). Главными рудными  минералами являются халькопирит  и сфалерит. Второстепенное значение  имеют халькозин, борнит, марказит, пирротин. Присутствуют также арсенопирит,  кубанит, аргентит, галенит и в небольших количествах – золото, серебро, селен, теллур. Существенной особенностью этих руд является тонко зернистость и взаимная вкрапленность медных и сульфидных минералов.

 3 Кристаллический состав металлов. Дефекты кристаллического строения.  Процесс кристлизации. Алотропические превращения в металлах.основные свойства металлов

У металлов  электроны  на внешних оболочках имеют слабую связь с ядром, легко отрываются и могут свободно перемещаться между  положительно заряженными ядрами. Следовательно, в металле положительно заряженные ионы окружены коллективизированными  электронами. Так как эти электроны подвижны аналогично  частицам  газа,  то используется  термин «электронный газ».

Металлургический тип  связи характерен тем, что нет  непосредственного соединения атомов друг с другом,  нет между ними прямой связи. Атомы в металлах размещаются  закономерно, образуя кристаллическую  решетку.

Кристаллическая решетка - это  мысленно проведенные в пространстве прямые линии, соединяющие ближайшие  атомы и проходящие через их центры, относительно которых они совершают  колебательные движения. В итоге  образуются фигуры правильной геометрической формы - кристаллическая решетка (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема кристаллической  решетки 

Расстояния (а,b,с) между атомами , т.е. параметры кристаллической решетки, находятся в пределах 2… 6  Ao  (1 Ao=10-8 см). Каждый атом принадлежит 8  кристаллическим решеткам. В аморфных телах с хаотическим расположением атомов в пространстве, свойства в различных направлениях одинаковы, а в кристаллических телах расстояния между атомами в различных направлениях неодинаковы, поэтому различны и свойства. Тип кристаллической решетки (рис. 1.2) зависит от металла, температуры и давления. Это используется при термообработке металлов для   упрочнения их.

Реальные металлы состоят  из большого количества кристаллов, различно ориентированных в пространстве относительно друг друга. На границах зерен атомы кристаллов не имеют  правильного расположения, здесь  скапливаются примеси,  дефекты и  включения. Экспериментально установлено , что внутреннее  кристаллическое строение зерен не является правильным. В решетках имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связь между атомами и оказывают влияние на свойства металлов.

Имеются следующие несовершенства в кристаллических решетках:

Точечные (рис. 1.3):

    а) Наличие вакансий, т. е. мест в решетке, не  занятых атомами. Это происходит  из-за смещения атомов от равновесного  состояния. Число вакансий увеличивается  с ростом температуры.

    б) Дислоцированные  атомы, т. е. атомы вышедшие из узла решетки и занявшие место в междоузлии.

    в) Примесные атомы, т.е. в основном металле имеются чужеродные примеси. Например,  в чугуне основными атомами являются атомы железа, а примесными- атомы углерода, которые или занимают место основного атома, или внедряются внутрь ячейки.

Поверхностные несовершенства, имеющие небольшую толщину при  значительных размерах в двух других направлениях.   

Линейные несовершенства (цепочки вакансий, дислокаций и  т. д.). Линейные дефекты малы в двух  направлениях и значительно большего размера в третьем.

Рис. 1.2. Виды кристаллических  решеток

Рис. 1.3. Дефекты кристаллической  решетки.

Количество дефектов в  металле оказывает существенное влияние на его прочность.

Повышение прочности с  увеличением  плотности дислокаций выше их критического значения объясняется  тем, что имеются не только параллельные, но и взаимопересекающиеся  (объемные) дислокации. Они препятствуют взаимному перемещению металла и, как результат, приводят к увеличению прочности металла.

Все современные способы  упрочнения металлов (легирование, закалка, прокатка, ковка, штамповка, волочение  и т.д.)  – это  увеличение количества дефектов в металле. Наивысшая  прочность,  которую можно получить путем  увеличения  количества дефектов в  металле , составляет около 1/3  от теоретически возможной (идеальной)  прочности.

Переход металла из жидкого  состояния в твердое с образованием кристаллической решетки называется кристаллизацией.

 Превращения, происходящие  в процессе кристаллизации, имеют  важное значение, так как в значительной степени определяют свойства металла. Впервые процессы кристаллизации были изучены русским ученым Д. К. Черновым.

Рис. 2 Механизм кристаллизации (источник: http://stroyunid.ru/)

 Кристаллизация состоит  в следующем:

 В жидком металле  атомы непрерывно движутся. По  мере понижения температуры движение  замедляется, атомы сближаются  и группируются в кристаллы.  Эта первичная группа кристаллов  получила название центров кристаллизации. Далее к этим центрам присоединяются  вновь образующиеся кристаллы.  Одновременно продолжается образование  новых центров. Таким образом,  кристаллизация состоит из двух  стадий: образования центров кристаллизации  и роста кристаллов вокруг  этих центров. 

 Сначала рост кристаллов  не встречает препятствий (рис. 1, а), и растущие кристаллы сохраняют  правильность строения кристаллической  решетки. При дальнейшем движении  кристаллы сталкиваются, и образовавшиеся  группы имеют уже неправильную  форму, но сохраняют правильность  строения внутри каждого кристалла.  Такие группы кристаллов называют  зернами (рис.1, б, в, г и д). На рис. 1, е показаны границы зерен различных размеров, что влияет на эксплуатационные свойства металла. Крупнозернистый металл имеет низкое сопротивление удару, при обработке мешает получению требуемого класса шероховатости поверхности. Размеры зерен зависят от различных факторов: природы самого металла и условий кристаллизации.

Рис.3 Кривые охлаждения (источник: http://stroyunid.ru/)

Так как процессы кристаллизации зависят от температуры и протекают  во времени, то кривые охлаждения (рис. 2) строятся в координатах температура  — время. На кривой 1 показан идеальный  процесс кристаллизации металла  без переохлаждения. Сначала температура  понижается равномерно — кривая идет вниз. При достижении температуры затвердевания падение температуры прекращается — на кривой образуется горизонтальный участок. Это объясняется тем, что процесс кристаллизации проходит с выделением тепла. По окончании затвердевания температура снова понижается. По закону кристаллизации чистых металлов каждый металл кристаллизуется при строго индивидуальной температуре.

 Практически кристаллизация  протекает несколько иначе, так  как часто имеет место переохлаждение, т. е. металл при температуре  затвердевания остается жидким, и кристаллизация начинается  при более низкой температуре.  Разница между идеальной и  истинной температурой кристаллизации  называется степенью переохлаждения. Кривая 2 соответствует процессу  кристаллизации с переохлаждением.  Кривая 3 характерна для кристаллизации  неметаллов: нет четко выраженной  температуры кристаллизации, затвердевание  происходит постепенно. Степень  переохлаждения является важнейшим  фактором, определяющим величину  зерна. При большой скорости  охлаждения степень переохлаждения  больше и зёрна мельче. Например при отливке тонкостенных изделий получается мелкозернистая структура, а при отливке толстостенных, соответственно, крупнозернистая.

 Вторичная кристаллизация (аллотропия). Некоторые металлы:  железо, кобальт, олово и др. —  имеют в твердом состоянии  две и более кристаллических решеток при неодинаковых температурах

Рис. 4 Аллотропические превращения  в железе (источник: http://stroyunid.ru/)

 Существование одного  и того же металла в разных  кристаллических формах называют  аллотропией, (или полиморфизмом)  а процесс перестройки одного  вида атомов кристаллической  решетки в другой — аллотропическим  превращением.

 Аллотропные формы, в которые кристаллизуется металл, обозначают буквами α, ү, β и т. д. Так, при температуре 1539°С железо из жидкого состояния переходит в твердое и образуется - β -железо с объемно-центрированной кубической решеткой (рис. 3); между 1390 и 910°С устойчиво ү -железо немагнитное с гранецентрированной кубической решеткой, которая при дальнейшем охлаждении не перестраивается. При температуре 768°С железо из немагнитного ү -железа становится магнитным α -железом. Эти модификации имеют важное практическое значение для термической обработки.

4 Химио-термическая обработка. Назначение и цель цементации. Азотирование, цианирование. Диффузионная металлизация

Химико-термическая обработка  металлов, совокупность технологических  процессов, приводящих к изменению  химического состава, структуры  и свойств поверхности металла  без изменения состава, структуры  и свойств его сердцевидных зон. Осуществляется с помощью диффузионного  насыщения поверхности различными элементами при повышенных температурах. Выбор элемента (или комплекса  элементов) определяется требуемыми свойствами поверхности детали. Насыщение производят углеродом (цементация), азотом (азотирование), азотом и углеродом (нитроцементация, цианирование), металлами (см. Диффузионная металлизация), бором (борирование), кремнием (силицирование) и т.д.

В зависимости от физико-химического  состояния среды, содержащей диффундирующий элемент, различают Х.-т. о. из газовой, жидкой, твёрдой или паровой фазы (чаще применяются первые 2 метода). Х.-т. о. проводится в газовых, вакуумных  или в ванных печах. Х.-т. о. подвергаются изделия из стали, чугуна, чистых металлов, сплавов на основе никеля, молибдена, вольфрама, кобальта, ниобия, меди, алюминия и др.

Физико-химические процессы, происходящие вблизи поверхности при  Х.-т. о., заключаются в образовании  диффундирующего элемента в атомарном  состоянии вследствие химических реакций  в насыщающей среде или на границе  раздела среды с поверхностью металла (при насыщении из газовой  или жидкой фазы), сублимации диффундирующего  элемента (насыщение из паровой фазы), последующей сорбции атомов элемента поверхностью металла и их диффузии в поверхностные слои металла. Концентрация диффундирующего элемента на поверхности металла, а также структура и свойства диффузионного слоя зависят от метода Х.-т. о. Глубина диффузии элемента возрастает с повышением температуры (по экспоненциальному закону) и с увеличением продолжительности процесса (по параболическому закону). Диффузионный слой, образующийся при Х.-т. о. деталей, изменяя структурно-энергетическое состояние поверхности, оказывает положительное влияние не только на физико-химические свойства поверхности, но и на объёмные свойства деталей. Х.-т. о. позволяет сообщить изделиям повышенную износостойкость, жаростойкость, коррозионную стойкость, усталостную прочность и т.д. (см. статьи о конкретных процессах Х.-т. о.).

Азотирование, насыщение поверхности металлических деталей азотом с целью повышения твёрдости, износоустойчивости, предела усталости и коррозионной стойкости. А. подвергают сталь, титан, некоторые сплавы, наиболее часто — легированные стали, особенно хромоалюминиевые, а также сталь, содержащую ванадий и молибден.

Азотирование стали происходит при t 500—650 °С в среде аммиака. Выше 400 °С начинается диссоциация аммиака по реакции NH3 ® 3H + N. Образовавшийся атомарный азот диффундирует в металл, образуя азотистые фазы. При температуре А. ниже 591 °С азотированный слой состоит из трёх фаз (рис.): e — нитрида Fe2N, g' — нитрида Fe4N, a — азотистого феррита, содержащего около 0,01% азота при комнатной температуре. При температуре А. 600—650° С возможно образование ещё и g-фазы, которая в результате медленного охлаждения распадается при 591°C на эвтектоид a + g1. Твёрдость азотированного слоя увеличивается до HV = 1200 (соответствует 12 Гн/м2)и сохраняется при повторных нагревах до 500—600°C, что обеспечивает высокую износоустойчивость деталей при повышенных температурах. Азотированные стали значительно превосходят по износоустойчивости цементированные и закалённые стали. А. — длительный процесс, для получения слоя толщиной 0,2—0,4 мм требуется 20—50 ч. Повышение температуры ускоряет процесс, но снижает твёрдость слоя. Для защиты мест, не подлежащих А., применяются лужение (для конструкционных сталей) и никелирование (для нержавеющих и жаропрочных сталей). Для уменьшения хрупкости слоя А. жаропрочных сталей иногда ведут в смеси аммиака и азота.

Азотирование титановых  сплавов проводится при 850—950 °С в азоте высокой чистоты (А. в аммиаке не применяется из-за увеличения хрупкости металла).

При А. образуется верхний  тонкий нитридный слой и твёрдый  раствор азота в a-титане. Глубина  слоя за 30 ч —  0,08 мм с поверхностной  твёрдостью HV = 800—850 (соответствует 8—8,5 Гн/м2). Введение в сплав некоторых легирующих элементов (Al до 3%, Zr 3—5% и др.) повышает скорость диффузии азота, увеличивая глубину азотированного слоя, а хром уменьшает скорость диффузии. А. титановых сплавов в разреженном азоте [100—10 н/м2 (1—0,1 мм рт ст.)] позволяет получать более глубокий слой без хрупкой нитридной зоны.

А. широко применяют в промышленности, в том числе для деталей, работающих при t до 500—600 °С (гильз цилиндров, коленчатых валов, шестерён, золотниковых пар, деталей топливной аппаратуры и др.).

Цементация в цветной металлургии, гидрометаллургический процесс, основанный на вытеснении более электроположительных металлов из растворов их соединений менее электроположительными металлами, находящимися в твёрдом состоянии. Например, нормальный электрохимический потенциал меди + 0,344 в, цинка — 0,762 в; эта разность потенциалов позволяет осуществлять реакцию Cu2+раствор + Znмeталл ® Zn2+раствор + Cuмeталл.. Чем больше разность потенциалов, тем меньше остаточное содержание в растворе осаждаемого металла. Ц. широко применяют для очистки растворов от примесей и для извлечения металлов из растворов. Процесс может быть применен также для осаждения металлов из расплавленных шлаков.