Виды химико-термической обработки. Диффузионная металлизация

Содержание

 

1 Виды химико-термической  обработки. Диффузионная металлизация Задание 2 Задание 3 Задание 4 Задание 5 Список использованной литературы

3 7 10 11 12 15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Виды химико-термической  обработки. Диффузионная металлизация.  

 

       Химико-термическая обработка (ХТО) – процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностного слоя детали.

       Изменение химического состава поверхностных слоев достигается в результате их взаимодействия с окружающей средой (твердой, жидкой, газообразной, плазменной), в которой осуществляется нагрев. В результате изменения химического состава поверхностного слоя изменяются его фазовый состав и микроструктура,

       Основными параметрами химико-термической обработки являются температура нагрева и продолжительность выдержки.

       В основе любой разновидности химико-термической обработки лежат процессы диссоциации, адсорбции, диффузии.

       Диссоциация – получение насыщающего элемента в активированном атомарном состоянии в результате химических реакций, а также испарения. Например, 2NH3 → 2N + 3H2.

       Адсорбция – захват поверхностью детали атомов насыщающего элемента.

Адсорбция – всегда экзотермический процесс, приводящий к уменьшению свободной энергии.

       Диффузия – перемещение адсорбированных атомов вглубь изделия.

       Для осуществления процессов адсорбции и диффузии необходимо, чтобы насыщающий элемент взаимодействовал с основным металлом, образуя твердые растворы или химические соединения.

       Химико-термическая обработка является основным способом поверхностного упрочнения деталей.

       Основными разновидностями химико-термической обработки являются:

- цементация (насыщение поверхностного слоя углеродом);

- азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом);

- нитроцементация или цианирование (насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом);

- диффузионная металлизация (насыщение поверхностного слоя различными металлами). 

      Цементация – химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя атомами углерода при нагреве до температуры 900…950 oС.

       Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода (до 0,25 %).

Нагрев изделий осуществляют в среде, легко отдающей углерод. Подобрав режимы обработки, поверхностный слой насыщают углеродом до требуемой глубины.

       На практике применяют цементацию в твердом и газовом карбюризаторе (науглероживающей среде). Цементации подвергают зубчатые колеса, поршневые кольца, червяки, оси, ролики.  

      Азотирование – химико-термическая обработка, при которой поверхностные слои насыщаются азотом.

       При азотировании увеличиваются не только твердость и износостойкость, но также повышается коррозионная стойкость.

       При азотировании изделия загружают в герметичные печи, куда поступает аммиак NH3 c определенной скоростью. При нагреве аммиак диссоциирует по реакции: 2NH3>2N+3H2. Атомарный азот поглощается поверхностью и диффундирует вглубь изделия.

       Фазы, получающиеся в азотированном слое углеродистых сталей, не обеспечивают высокой твердость, и образующийся слой хрупкий.

       Для азотирования используют стали, содержащие алюминий, молибден, хром, титан. Нитриды этих элементов дисперсны и обладают высокой твердостью и термической устойчивостью. Типовые азотируемые стали: 38ХМЮА, 35ХМЮА, 30ХТ2Н3Ю.

       В зависимости от условий работы деталей различают азотирование:

- для повышения поверхностной твердости и износостойкости;

- для улучшения коррозионной стойкости (антикоррозионное азотирование).

       Азотирование проводят на готовых изделиях, прошедших окончательную механическую и термическую обработку (закалка с высоким отпуском). После азотирования в сердцевине изделия сохраняется структура сорбита, которая обеспечивает повышенную прочность и вязкость.

       Цианирование – химико-термическая обработка, при которой поверхность насыщается одновременно углеродом и азотом.

       Осуществляется в ваннах с расплавленными цианистыми солями, например NaCN с добавками солей NаCl, BaCl и др. При окислении цианистого натрия образуется атомарный азот и окись углерода 2NaCNO+O2 →Na2CO3+CO+Nат

       Глубина слоя и концентрация в нем углерода и азота зависят от температуры процесса и его продолжительности. Цианированный слой обладает высокой твердостью 58…62 HRC и хорошо сопротивляется износу. Повышаются усталостная прочность и коррозионная стойкость.

        Высокотемпературное цианирование – проводится при температуре 800…950oС, сопровождается преимущественным насыщением стали углеродом до 0,6…1,2 %, (жидкостная цементация). Содержание азота в цианированном слое 0,2…0,6 %, толщина слоя 0,15…2 мм. После цианирования изделия подвергаются закалке и низкому отпуску. Окончательная структура цианированного слоя состоит из тонкого слоя карбонитридов Fe2(C, N), а затем азотистый мартенсит.

       По сравнению с цементацией высокотемпературное цианирование происходит с большей скоростью, приводит к меньшей деформации деталей, обеспечивает большую твердость и сопротивление износу.

       Низкотемпературное цианирование – проводится при температуре 540…600oС, сопровождается преимущественным насыщением стали азотом Проводится для инструментов из быстрорежущих, высокохромистых сталей, Является окончательной обработкой.

       Основным недостатком цианирования является ядовитость цианистых солей.

       Нитроцементация – газовое цианирование, осуществляется в газовых смесях из цементующего газа и диссоциированного аммиака.

       Состав газа температура процесса определяют соотношение углерода и азота в цианированном слое. Глубина слоя зависит от температуры и продолжительности выдержки.

       Высокотемпературная нитроцементация проводится при температуре 830…950oС, для машиностроительных деталей из углеродистых и малолегированных сталей при повышенном содержании аммиака. Завершающей термической обработкой является закалка с низким отпуском. Твердость достигает 56…62 HRC.

       Низкотемпературной нитроцементации подвергают инструмент из быстрорежущей стали после термической обработки (закалки и отпуска). Процесс проводят при температуре 530…570oС, в течение 1,5…3 часов. Образуется поверхностный слой толщиной 0,02…0,004 мм с твердостью 900…1200 HV.

       Нитроцементация характеризуется безопасностью в работе, низкой стоимостью.

       Поверхностное насыщение стали металлами путем их диффузии в атомарном состоянии называют диффузной металлизацией. Это один из наиболее дорогих технологических процессов химико-термической обработки. Высокая стоимость диффузной металлизации обусловлена высокой энергоемкостью и длительностью процесса (до 25 часов). Диффузионная металлизация производится при температурах 950...1200 °С. Высокая температура необходима для увеличения скорости диффузии.

       Диффузионная металлизация позволяет получать диффузионные слои толщиной от 10 мкм до 3 мм со специфическими механическими и физико-химическими свойствами. Одно из основных свойств металлизированных поверхностей – жароупорность, поэтому детали из углеродистых сталей, предназначенные для эксплуатации при температурах 1000...1200 °С подвергаются алитированию, хромированию или силицированию. Диффузионное насыщение металлами повышает устойчивость изделий к кислотам, абразивному изнашиванию, сопротивление термоудару и резким перепадам температуры.В отличие от диффузии неметаллов, приводящей к образованию твердых растворов внедрения, при металлизации происходит образование растворов замещения.

       Диффузионная металлизация производится несколькими методами:

1. погружением в расплавленный  металл, если диффундирующий элемент  является легкоплавким (цинк,алюминий);

2. насыщением из расплава  солей с применением электролиза  или без такового;

3. насыщением из газовой  фазы, содержащих галогениды диффундирующих  металлов неконтактным и контактным  методами;

4. насыщением в сублимированной  фазе при испарении диффундирующего  элемента.

       Диффузионную металлизацию можно проводить в твердых, жидких и газообразных средах.

       При твердой диффузионной метализации металлизатором является ферросплав с добавлением хлористого аммония (NH4Cl). В результате реакции металлизатора с HCl или CL2 образуется соединение хлора с металлом (AlCl3, CrCl2, SiCl4), которые при контакте с поверхностью диссоциируют с образованием свободных атомов.

       Жидкая диффузионная метализация проводится погружением детали в расплавленный металл (например, алюминий).

       Газовая диффузионная метализация проводится в газовых средах, являющихся хлоридами различных металлов.

       На практике наиболее часто применяют насыщение поверхностного слоя алюминием (алитирование), хромом (хромирование), кремнием (силицирование) и др.

       Хромирование помимо жаростойкости придает стальным изделиям кислотоупорность, устойчивость к газовой и морской коррозии. Насыщение поверхности хромом применяется для деталей пароводяной арматуры, паросилового оборудования и деталей, предназначенных для эксплуатации в агрессивных средах.

       Алитированные стали характеризуются высокой окалиностойкостью за счет образования на поверхности пленки оксида алюминия. Диффузионный алитированный слой сразу после окончания металлизации характеризуется высокой хрупкостью из-за пересыщенности раствора алюминием. Для снижения хрупкости диффузионного слоя алитированные изделия подвергаются диффузионному отжигу при температуре порядка 1000 °С. Алитирование применяется при изготовлении чехлов термопар, нагревательных элементов, колосников и т. д.

        Диффузионное цинкование применяется для повышения коррозионной устойчивости стали в маслах, бензине, атмосфере и газовых средах, содержащих сероводород при температурах 300...500 °С. Цинк – активный амфотерный металл и, следовательно, цинковые покрытия разрушаются в кислых и щелочных средах.

        На данный момент все большее распространение приобретает комплексное диффузное насыщение металла рядом элементов, например хромоалитирование, карбохромирование, хромотитанирование и др. комплексное насыщение может производиться как последовательно, так и одновременно. Такой вид химико-термической обработки позволяет получать поверхности с уникальными сочетаниями свойств, которые привносят отдельные элементы. В результате такой обработки повышается коррозионная стойкость, жаростойкость, износостойкость рабочих поверхностей деталей. Эти свойства поверхности особенно необходимы для многих деталей теплоэнергетического машиностроения [1].

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Задание

 

        Начертите в масштабе упрощенную диаграмму состояния «железо-цементит» и укажите во всех областях диаграммы структуры, получающиеся при медленном охлаждении железоуглеродистых сплавов. Пользуясь этой диаграммой, поясните в самой краткой форме структурные превращения, происходящие в белом чугуне, содержащем 5,4 % углерода при медленном его нагревании от комнатной температуры до 1350°С. Определите температуры начала и конца вторичной кристаллизации для этого чугуна.

 

       На рис.1 представлена диаграмма состояния «железо-углерод».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1 Диаграмма состояния «железо-углерод»

 

       Начало первичной кристаллизации. По линии АС из жидкого раствора начинают выпадать кристаллы твердого раствора углерода в γ-железе, называемого аустенитом (А); следовательно, в области АСЕ будет находиться смесь двух фаз — жидкого раствора (Ж) и аустенита (А).

        По линии СD из жидкого раствора начинают выпадать кристаллы цементита (Ц I - первичный); в области диаграммы CDF находится смесь двух фаз — жидкого раствора (Ж) и цементита (Ц I).

        В точке С при массовом содержании С 4,3 % и температуре 1147 °С происходит одновременно кристаллизация аустенита и цементита и образуется их тонкая механическая смесь эвтектика, называемая в этой системе ледебуритом (Л) – высокотемпературный ледебурит или аустенитный.

       Ледебурит присутствует во всех сплавах с массовым содержанием С от 2,14 до 6,67%. Эти сплавы относятся к группе чугуна.

        Точка Е соответствует предельному насыщению железа углеродом (2,14 %). Сплавы, лежащие левее этой точки, после полного затвердевания представляют один аустенит. Эти сплавы относятся к группе стали.

        Конец первичной кристаллизации. По линии АЕ происходит полное затвердевание аустенита. В области AGSE сплавы  представляют один аустенит.

По линии ЕСF эвтектическое превращение или аустенитное превращение (полная кристаллизация аустенита и цементита).

        Ниже линии СF находится цементит I + ледебурит

       Ниже линии ЕС находится аустенит + цементит II + ледебурит.

       Превращения в твердом состоянии (вторичная кристаллизация). Линии GSE, PSK, PQ показывают, что в сплавах системы в твердом состоянии происходят изменения структуры. Превращения в твердом состоянии происходят вследствие перехода железа из одной модификации в другую, а также в связи с изменением растворимости углерода в железе.

        При дальнейшем охлаждении сплава аустенит распадается с выделением по линии GS феррита (Ф) — твердого раствора углерода в α-железе, а по линии SE - цементита (избыточный углерод выделяется из решетки аустенита и образует с железом цементит). Этот цементит, выпадающий из твердого раствора аустенита, называется вторичным (Ц II) в отличие от первичного цементита (Ц I), выпадающего из жидкого раствора.

        Линии GS и SE – линии начала вторичной кристаллизации.

        Линия PSK:

- для стального участка (линия Pe)– конец вторичной кристаллизации;

- для чугунного участка (линия eK) – начало и конец вторичной кристаллизации происходят при одной и той же температуре.

        В области диаграммы GSP находится смесь двух фаз - феррита (Ф) и распадающегося аустенита (А), а в области ниже линии SE до чугунного участка (область SEе) — смесь распадающегося аустенита и вторичного цементита  (аустенит + цементит II).

        В точке S при массовом содержании углерода 0,8 % и при температуре 727 °С весь аустенит распадается и одновременно кристаллизуется тонкая механическая смесь феррита и цементита — эвтектоид (т. е. подобный эвтектике), который в этой системе называется перлитом (П).

        Сталь, содержащая 0,8% С, называется эвтектоидной, менее 0,8% - доэвтектоидной, от 0,8 до 2,14 % С — заэвтектоидной.

        При охлаждении сплавов по линии PSK происходит распад аустенита, оставшегося в любом сплаве системы, с образованием перлита, поэтому линия PSK называется линией перлитного (эвтектоидного) превращения.

        Ледебурит ниже линии  PSK называется низкотемпературным или перлитным [2].

        Нагревание  белого чугуна от комнатной температуры до 1350˚, содержащего 5,4% углерода.

        При нагревании белого чугуна в точке  3 (t˚ = 727˚)  происходит зарождение кристаллов аустенита и перестройка кристаллической решетки из α-железа в γ-железо - аллотропическое или полиморфное превращение при нагревании при t˚ = 727˚ . Происходит превращение перлита в ледебурите в аустенит. Ледебурит перлитный в результате аллотропического превращения перейдет в ледебурит аустенитный. Поэтому выше т. 3 до т. 2 (1147˚) будет находиться смесь - цементит I + ледебурит. При дальнейшем нагревании в т. 2 (t˚ = 1147˚) цементит начнет растворятся и сплав выше т. 2 до т. 1 будет состоять из двух фаз – Ж + Ц (I).  

        Процесс выделения вторичных кристаллов из твёрдой фазы носит название вторичной кристаллизации.

Температура начала вторичной кристаллизации — 1147°С.

Температура конца вторичной кристаллизации — 727°С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Задание

 

        Пользуясь диаграммой «железо-цементит» произвести нормализацию метчика, изготовленного из стали У13. Определить температуру нагрева, охлаждающую среду при нормализации и полученную структуру после нормализации. Укажите изменение её механических свойств.

  

        Марка: У13

        Классификация: сталь инструментальтная углеродистая

        Применение: инструменты повышенной износостойкости, работающие при умеренных и значительных давлениях без разогрева режущей кромки

        В  таблице 1 приведен химический состав У13.

 

Таблица 1

 

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu
1,26 - 1,34	0,17 - 0,33	0,17 - 0,33	до 0,25	до 0,028	до 0,03	до 0,2	до 0,25

 

        Примем среднее содержание углерода »1,3%.

        Определим критические точки по рис. 1 (точечная линия). Данная сталь заэвтектоидная, значит, её критические точки будут такими:

АС1 » 727°С.

АСm » 900°С.

        Нормализацию (отжиг нормализационный) проводят до температуры на 30-50°С выше АСm (линия S-E) для заэвтектоидных сталей, то есть до температуры 930-950°С, с охлаждением на спокойном воздухе.

        Полученная структура после нормализации Ц II + перлит.

        Изменение  механических свойств: понижение ударной вязкости, снятие напряжений в изделии, износостойкость увеличивается, твердость снижается, структура становится более дискретной.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Задание

 

        Подобрать марки сплавов для изготовления следующих деталей машин:

а) поршневого пальца из цементованной легированной стали;

б) ответственного коленчатого вала из легированной стали;

в) радиаторных трубок автомобиля.

Выбор марок надо кратко обосновать соответственно требованиям, предъявляемым к данным деталям. Расшифровать их примерный химический состав по принятой ГОСТом маркировке.

       

        Материал для поршневых пальцев должен обладать достаточной прочностью и износостойкостью. В качестве материала для поршневых пальцев применяют сталь 45 селективной очистки, сталь 45ХА (хромистая сталь, содержащая 0,45% углерода и около 1% хрома) с последующей закалкой пальца на глубину 1—1,5 мм, сталь 15Х и 15 с последующей цементацией его на глубину 0,5—1,5 мм и закалкой на ту же глубину. Поршневые пальцы для высоконагруженных двигателей изготовляются из легированных цементуемых сталей 12Х2Н4А (0,12% углерода, 2% хрома, 4% никеля, А — высококачественная сталь) и12ХНЗА (хромоникелевая сталь, в состав которой входят 0,12% углерода, около 1% хрома, 3% никеля).

        Для изготовления ответственных коленчатых валов и других деталей, к которым предъявляются требования повышенной твердости, износостойкости, используют легированные стали 45Х, 45ХН (0,45% углерода, до1% хрома, до  1% никеля) [2].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

 

1 Солнцев, Ю.П. Материаловедение / Ю.П. Солнцев, Пряхин Е.И. - СПб.: ХИМИЗДАТ, 2007. - 784 с.

2 Ржевская, С.В. Материаловедение. - М.: Высшее горное образование, 2005. - 456 с.

3 Моряков, А.С. Материаловедение. - М.: Академия, 2008. - 240 с.

4 Быконя, Л.А. Материаловедение/ Л. А. Быконя, Е. А. Астафьева, Ю. П. Королева, О. Ю. Фоменко. - Красноярск: Издательство: ИПК СФУ, 2008. - 305 с.